Upload
mete-sahin
View
159
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
GAZ TÜRBİNLİ GEMİLERDE EKSERJİ VE TERMODİNAMİK ANALİZ
Turan ÇUBUĞUUZUN
FBE Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği Ana Bilim Dalında Hazırlanan
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Tez Danışmanı: Doç. Dr. Tamer YILMAZ
İSTANBUL, 2006
ii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
SİMGE LİSTESİ ....................................................................................................................... iv
KISALTMA LİSTESİ ...............................................................................................................vi
ŞEKİL LİSTESİ .......................................................................................................................vii
ÇİZELGE LİSTESİ .................................................................................................................viii
ÖNSÖZ...................................................................................................................................... ix
ÖZET.......................................................................................................................................... x
ABSTRACT ..............................................................................................................................xi
1. GİRİŞ ..................................................................................................................... 12
1.1 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ..................................................................................... 12 1.2 GAZ TÜRBİNİ KULANIMININ TARİHSEL GELİŞİMİ................................... 17
2. GAZ TÜRBİNİ TERMODİNAMİK ÇEVRİMİ ................................................... 20
2.1 Temel Gaz Türbin Teorisi ..................................................................................... 22 2.1.1 Yakınsaklık ve Iraksaklık Kavramı ....................................................................... 22 2.1.2 Gaz Türbin Oluşumunun Esasları.......................................................................... 23 2.1.3 Genel Gaz Türbin Çalışma Prensibi ...................................................................... 24 2.1.4 İtme Kuvvetine Çevrenin Etkileri.......................................................................... 25 2.2 Gerçek G/T Çevriminde Verimi Etkileyen Faktörler ............................................ 26 2.2.1 Çalışma Maddesinin Hızı ...................................................................................... 26 2.2.2 Basınç Kayıpları .................................................................................................... 26 2.2.3 Yardımcı Elemanlar............................................................................................... 27 2.2.4 Debi Artması.......................................................................................................... 27 2.2.5 Çalışma Maddesi ................................................................................................... 27 2.3 Açık Çevrimli Gaz Türbinlerinde Termal Verimi Etkileyen Faktörler ................. 27 2.3.1 Yakıt Miktarı ......................................................................................................... 27 2.3.2 Basınç Oranı .......................................................................................................... 27 2.3.3 Kompresör Giriş Isısı............................................................................................. 27 2.3.4 Kompresör Kanat Temizliği .................................................................................. 28 2.4 Açık Çevrimli Gaz Türbinlerinde Verimi Arttırma Yöntemleri............................ 28 2.4.1 Rejeneratörlü Gaz Türbin Çevrimleri .................................................................... 28 2.4.2 Ara Soğutmalı Gaz Türbin Çevrimleri .................................................................. 29 2.4.3 Ara Kızdırmalı Gaz Türbin Çevrimleri ................................................................. 29 2.5 Gaz Türbinlerinin Kullanılması............................................................................. 31 2.5.1 Gemi Ana Makinası Olarak Gaz Türbini Kontrolu ............................................... 32
3. LM 2500 GAZ TÜRBİNİ EKSERJİ ANALİZİ .................................................... 34
3.1 Gaz Türbini Hal Noktaları ..................................................................................... 34
iii
Sayfa
3.2 Ekserji analizi ................................................................................ ………………36 3.3 Performans analizleri ............................................................................................. 40 3.3.1 Kompresör ............................................................................................................. 40 3.3.2 Türbin .................................................................................................................... 40 3.3.3 Yanma Odası ......................................................................................................... 40
4. LM 2500 GAZ TÜRBİNİ TERMODİNAMİK ANALİZİ .................................... 58
5. SONUÇ.................................................................................................................. 65
KAYNAKLAR......................................................................................................................... 66
ÖZGEÇMİŞ.............................................................................................................................. 68
iv
SİMGE LİSTESİ E Ekserji PE Potansiyel Ekserji KE Kinetik Ekserji KimE Kimyasal Ekserji FE Fiziksel Ekserji R Üniversal Gaz Sabiti V Hız u İç Enerji v Hacim P Basınç OP Çevre Basıncı T Sıcaklık OT Çevre Sıcaklığı Q Isı W İş •
m Kütlesel Debi •
am Hava Kütlesel Debisi •
fm Yakıt Kütlesel Debisi •
pm Ürünün Kütlesel Debisi •
qE Isı Transferinden Kaynaklanan Ekserji •
wE İş Transferinden Kaynaklanan Ekserji
DE Ekserji Bozunumu h Entalpi ah havanın Entalpisi
üh Ürünün Entalpisi X Mol Fraksiyonu λ Yakıt-Hava Oranı kw Kompresör İşi
tw Türbin İşi
aM Havanın Mol Ağırlığı
pM Ürünün Mol Ağırlığı s Entropi gq Giren Isı Miktarı
çq Çıkan Isı Miktarı
netw Net İş
Braytonth,η Brayton Çevriminin Isıl Verimi k Özgül Isıların Oranı, vp CC /
pr Basınç Oranı
v
refp Atmosfer Basıncı
vi
KISALTMA LİSTESİ ECOP Ekolojik Performans Katsayısı G/T Gaz Türbini KE Kinetik Ekserji PE Potansiyel Ekserji
vii
ŞEKİL LİSTESİ Sayfa
Şekil 2.1 Brayton çevrimi P-V, T-S diyagramları ................................................................... 20 Şekil 2.2 Nozul ve Difüzer ....................................................................................................... 23 Şekil 2.3 Gaz türbininde nozul ve difüzer olayı ....................................................................... 23 Şekil 2.4 Rejenaratörlü gaz türbini çevrimi.............................................................................. 28 Şekil 2.5 Ara soğutmalı gaz türbini çevrimi............................................................................. 29 Şekil 2.6 Ara kızdırmalı gaz türbini çevrimi ............................................................................ 30 Şekil 2.7 Rejeneratörlü ara soğutulucu gaz türbini çevrimi ..................................................... 30 Şekil 2.8 Rejenaratörlü ara soğutulucu ve ara kızdırıcılı gaz türbini çevrimi .......................... 31 Şekil 3.1 Gaz türbini hal noktaları............................................................................................ 35 Şekil 3.2 Yakıt ekserji grafiği................................................................................................... 53 Şekil 3.3 Kompresör çıkış ekserji grafiği ................................................................................. 54 Şekil 3.4 Yanma odası çıkış ekserjisi ....................................................................................... 55 Şekil 3.5 Türbin çıkış ekserjisi ................................................................................................. 55 Şekil 3.6 Kompresör ekserji kayıp grafiği................................................................................ 56 Şekil 3.7 Yanma odası ekserji kayıp grafiği............................................................................. 56 Şekil 3.8 Türbindeki ekserji kaybı grafiği ................................................................................ 57 Şekil 4.1 Çeşitli kompresör devirlerinde birim akışkana göre kompresör işi .......................... 62 Şekil 4.2 Çeşitli kompresör devirlerinde birim akışkana göre türbin işi .................................. 62 Şekil 4.3 Gaz türbininin çeşitli kompresör devirlerinde ısıl verimi ......................................... 63 Şekil 4.4 Gaz türbininin geri iş oranı........................................................................................ 64
viii
ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa
Çizelge 1.1 Gemi sevkinde kullanılan bazı gaz türbinlerinin güç ve özgül yakıt tüketim değerleri ............................................................................................................ 18
Çizelge 1.2 Ana tahrik olarak gaz türbini kullanılan ilk ticaret gemilerine ait bilgiler........... 19 Çizelge 3.1 Gaz türbininin spesifik değerleri ........................................................................... 42 Çizelge 3.2 LM 2500 gaz türbini çalışma parametreleri ‘*’..................................................... 43 Çizelge 3.3 Özellik tablosu (Bejan 1995)................................................................................. 44 Çizelge 3.4 Azotun çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri ................................. 45 Çizelge 3.5 Azotun çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri ................................. 46 Çizelge 3.6 Oksijenin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri............................. 46 Çizelge 3.7 Oksijenin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri ........................... 47 Çizelge 3.8 Karbondioksitin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri ................. 47 Çizelge 3.9 Karbondioksitin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri................... 48 Çizelge 3.10 Su buharının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri...................... 48 Çizelge 3.11 Su buharının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri ..................... 49 Çizelge 3.12 Karışım gazlarının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri ............ 49 Çizelge 3.13 Karışım gazlarının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri ............ 50 Çizelge 3.14 Gaz türbininin hal noktalarına göre fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri ......... 51 Çizelge 3.15 Gaz türbininin hal noktalarına göre Kw olarak toplam ekserji değerleri ............ 52 Çizelge 3.16 Gaz türbini kayıp ekserji değerleri ...................................................................... 53 Çizelge 4.1 Kompresör termodinamik analiz değerleri( 2881 =T K)....................................... 58 Çizelge 4.2 Yanma odası termodinamik analiz değerleri......................................................... 59 Çizelge 4.3 Türbin termodinamik analiz değerleri................................................................... 60 Çizelge 4.4 Bir gaz türbinin birim kütle akışında termodinamik analiz değerleri ................... 61 Açıklama [FBE1]: Ana
metinde şekil yazısı için kullanılan sitil adı
ix
ÖNSÖZ Bir LM 2500 gaz türbinin sayısal termodinamik ve ekserji değerlerini hesaplayan bu tez çalışması esnasında yardımlarını esirgemeyen ve her zaman vakit ayırarak çok değerli fikirleri ile çalışmalarıma yön veren Doç. Dr. Tamer YILMAZ beye ve yoğun çalışma sırasında beni devamlı motive eden eşim Leyla ÇUBUĞUUZUN , yoğun iş temposu nedeniyle kendilerine hak ettikleri zamanı ayıramadığım kızım Ekin ÇUBUĞUUZUN ve oğlum Aziz Mert ÇUBUĞUUZUN’a teşekkürü bir borç bilirim.
x
ÖZET Bu tezde Brayton çevrimine göre çalışan LM 2500 gaz türbininin kompresör girişi, yanma odası girişi, türbin girişi ve egzoz sıcaklıkları kontrol paneli üzerinden değer gösterme sistemi DDI(Digital Display Indicator) vasıtasıyla tespit edilmiş ve bulunan değerler ile kompresör giriş ve çıkışındaki havanın ,yanma odası giriş ve çıkışında hava yakıt karışımının ve yanma odasına girişte yakıtın fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri çeşitli kompresör değerlerine göre sayısal olarak hesaplanmıştır. Öncelikli olarak hal noktalarının ürettikleri ekserji değerleri hesaplanmış, daha sonra toplam ekserji üretimi bulunmuştur. Daha sonra hal noktalarının ekserji kayıpları sayısal olarak hesaplanmıştır. Daha sonra DDI sisteminden elde edilen değerler göre havayı mükemmel gaz olarak kabul ederek sistemin termodinamik analizi yapılmıştır. Sistemde yakıt olarak metan gazı kullanılmış ve hava yakıt oranı yüzde 2 olarak kabul edilmiştir. Yapılan analizler neticesinde birim zamanda akan akışkan miktarından bağımsız olarak kompresör işi, türbin işi, sisteme giren ısı , sistemden çıkan ısı ,çevrimin ısısal verimi ve geri iş oranları bulunmuştur.
Anahtar Kelimeler :Gaz Türbini,Ekserji,Termodinamik Analiz,Entalpi,Entropi
xi
ABSTRACT In this thesis, the inlet of compressor, burning chamber and turbine and exhaust temperatures of LM 2500 gas turbine working according to Brayton cycle were detected by the DDI(Digital Display Indicator) on the control pannel and found values and the physical and chemical exergy values of air in the inlet and outlet of the compressor and air-fuel mixture in the inlet and outlet of the burning chamber and fuel in the inlet of the burning chamber were calculated numerically to various compressor values. First, exergy values produced by state points were calculated, then total exergy production was found. After that, exergy loses of state points were calculated numerically. Then accepting air as perfect gas, thermodynamic analysis was made according to the values derived from DDI system. In the system methan gas was used as fuel and air-fuel ratio was accepted % 2. In the consequences of analysis being made as independent from fluid mass per time compressor and turbine works, heat going into system, heat going out of the system, thermel efficiency of cycle, remaining work ratios were found.
Key Words : Gas Turbine, Exergy, Thermodynamic Analysis, Enthalpy, Entropy
12
1. GİRİŞ
Günlük hayatın temel ihtiyaçlarından birisi enerjidir. Günlük yaşamın içerisinde enerjinin
kullanılmadığı herhangi bir saha yoktur. Günümüzde enerji kullanımı toplumlar için
gelişmişlik ölçütü olarak kullanılmaktadır. Özellikle elektrik ve ısı enerjisinin hayatımızda
önemli bir yeri vardır. Sınırlı doğal kaynaklardan elde edilen bu enerjiler, talep artışına bağlı
olarak daha değerli hale gelmektedirler. Bu kıymetli enerjilerin değerlendirilmesinde son
kullanım noktasında ki makinelerin verimi ne kadar önemli ise elde edilirken ki enerji
dönüşümleri de o kadar önemlidir. Kullanılan yakıtın enerjisinin, elde edilmek istenen enerji
türüne en yüksek oranda dönüştürülmesi istenir. Enerji dönüşümünün % 100 olması mümkün
değildir. Çevre faktörleri ve dönüşümü gerçekleştiren sistemlerin verimleri düşünüldüğünde
yakıtın enerjisinin tamamını mekanik yada ısı enerjisine dönüştürülmesi imkansızdır. Bu
durumda yakıttan elde edilecek maksimum enerji (ekserji) sınırlıdır. Bütün enerji dönüşümleri
tersinmezliklerin sebep olduğu bu sınırlar dahilinde gerçekleşmektedir. Enerji üretim
sistemlerinin ve bu sistemleri oluşturan komponentlerin (elemanların) bu sınırlara göre
değerlendirilmesi yapılmalıdır. Bu şekilde yapılan analiz yöntemi ekserji analizi olarak
adlandırılmıştır. Ekserji analizi ile sistem yada komponentlerin ekserji bozunumu yada ekserji
kaybından kaynaklanan tersinmezliklerin miktarları ve yerleri tespit edilir.Benzer sistemler
karşılaştırılırken enerji yönünden karşılaştırma yeterli olmayacaktır. Çünkü enerji analizinde,
çevre faktörleri tamamen göz ardı edilmektedir. Oysa sistemin etkileşimde olduğu çevre,
çalışma şartlarını değiştirmektedir. Bu sebeple ekserji analizi neticesinde elde edilen ekserji
verimi yönünden sistemlerin karşılaştırılması daha yerinde olacaktır. Ekserji analizinde
sistemin veriminin artırılması hedeflenir. Ekserji veriminin artırılabilmesi için
tersinmezliklerin azaltılması gerekmektedir. Analiz neticesinde belirlenen tersinmezliklerin
azaltılabilmesi için alınabilecek tedbirler belirlenir. Bu tedbirler çerçevesinde verim mümkün
olan en yüksek değere çıkartılır.
Bu çalışmada enerji üretim tesisi olarak halen çalışmakta olan bir LM 2500 gaz türbini
alınmıştır. Sistemin çalışma değerleri çeşitli kompresör devirlerine göre alınmış ve bu
değerlere göre sayısal ekserji ve termodinamik analiz yapılmıştır.
1.1 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Horlock vd, (2000) , Kapalı sistemlerin termik veriminin; elde edilen net işin verilen ısıya
oranı olduğunu, açık çevrimlerde ise elde edilen net işin ideal şartlarda elde edilebilecek
tersinir işe oranı olduğuna işaret etmişlerdir.Bu tanımdan hareketle literatürde termik
13
santraller için üç ayrı verim ifadesi olduğunu belirtmişlerdir. Birincisinde sisteme yakıt ve
havanın girip, egzoz gazlarının karışmış olarak çıktığı kabulü ile tersinir işin yakıtın ekserjisi
ile egzoz gazlarının farkı, ikincisinde girenler aynı ama çıkanlar karışmamış olduğu kabulü ile
tersinir işi yakıtın ekserjisi, üçüncüsünde ise girenler yakıt oksijen ve azot çıkanlar
karışmamış olma durumunda tersinir net işi girenler ile çıkanların Gibbs fonksiyonu farkı
olarak tanımlamışlardır.Bu üç verim birbirine yakın olmakla birlikte farklı olduğunu General
Elektrik LM2500, Westinghouse/Rolls-Royce WR21 ve ABB GT24 kombine çevrim tesisleri
üzerinde hesaplayarak göstermişlerdir. Elde ettikleri neticelerde birinci ve üçüncü verim
ifadelerinin ikincisinden büyük olduğu, birinci verim ifadesinin daha gerçekçi olduğunu
belirtmişlerdir. Ayrıca tesisin performansının, dizayn parametreleri (yanma sıcaklığı,
hava/yakıt oranı gibi) ile değiştiğini, değişik tip tesislerin performansının karşılaştırılmasında
yakıtın ekserjisinin önemli olduğunu ifade etmişlerdir.
El-Masri(1987), ekserji analizinin kombine çevrim dizayn ve optimizasyonunda önemli bir
yöntem olduğunu belirterek hava soğutmalı brayton çevrimli gaz türbin grubuna ekserji
analizi yapmıştır. Komponentlere kütle, enerji ve bunlara bağlı ekserji denge denklemlerini
uygulamış ve ekserji verimlerini çıkartmıştır. Kullanılan üç soğutma basamağı için
tersinmezlikleri bularak her bir basamağın güce etkisini incelemiştir. Yanma sonu sıcaklık
değişimiyle net iş ve ekserji değişimlerini inceleyerek her bir komponentteki ekserji
bozunumlarını ve kayıplarını, basınç oranı ile net iş arasında da aynı ilişkiyi göstermiştir.
Kompresör basınç oranı ve kompresör giriş sıcaklığının net iş üzerindeki etkisini ve bütün
basamakların yanma sonu sıcaklığı ve ekserji verimine etkilerini incelemiştir. Böylece ekserji
analizinin enerji analizi kadar kullanılabilir bir yöntem olduğunu, yanma tersinmezliklerinin
bir model oluşturarak detaylı hesaplanabileceğini, türbin giriş sıcaklığı artışının yanma
odasındaki ekserji bozumununun azaltılmasına karşın türbinde soğutma kaybının artışına
sebep olduğunu ama çevrim verimini artırdığını ekserji analizi ile açıklamıştır.
Chin ve El-Masri (1987), Gaz türbin grubunun altına ilave edilen çift basınçlı buhar türbin
santraline ekserji analizi yapmışlardır. Analiz neticesinde buhar türbini parametrelerini gaz
türbininin egzoz sıcaklığının fonksiyonu olarak yazıp optimum şartları tespit etmişlerdir.
Daha sonra tek basınçlı türbin ile optimize edilmiş çift basınçlı türbini karşılaştırmışlar ve
güçte % 3’lük bir artış ve egzoz gazından ısı transferindeki tersinmezliklerde % 15 ile % 8
arasında azalma olduğunu belirtmişlerdir. Üç basamaklı sistemle tersinmezliklerin daha
azaltılabileceğini ifade etmişlerdir.
Derbentli (1986), Birleşik ısı-güç üretiminde kullanılan ara buhar almalı-yoğuşturuculu ve
14
karşı basınçlı çevrimle çalışan santrallere enerji ve ekserji analizi uygulamıştır. Çevrimlerin
termodinamik modelini oluşturarak değişik türbin giriş halleri ve ısı yükleri için ısı ve elektrik
üretimleri ile çevrimlerdeki tersinmezlikleri hesaplamıştır. Ara buhar almalı çevrimde kısmi
ısı yüklerinde elde edilen elektrik enerjisinin artmakta, ısının değişmemekte, güç ısı oranının
hızla yükselmekte olduğunu göstermiştir. Karşı basınçlıda ise güç ısı oranı, kısmi ısı
yüklerinde tam yüke oranla daha az değişmekte, en yüksek ısı ve elektrik eldesinin tam ısı
yükünde gerçekleşmekte olduğunu belirtmiştir. Ayrıca komponentlerin enerji kayıplarını
çıkartarak, en yüksek tersinmezliğin kazanda olduğunu ifade etmiştir.
Jın ve Ishida (1993), Gaz-buhar kombine, buhar enjekteli gaz türbini ve ara kızdırmalı gaz
türbin tesislerine grafiksel ekserji analizi yapmışlardır. Grafiksel ekserji analizinde her bir
komponent için enerji kullanım grafiklerini çizmişlerdir. Bu grafiklerin apsisinde transfer olan
enerji, ordinatında enerji seviyesi (ekserjideki değişim/enerjideki değişim) olup enerji verici
kaynakla, alıcı kaynağın enerji seviyeleri arasındaki bölge gösterilmektedir. Böylece; iki
kaynak arasındaki bölgenin değişimi ile ekserji kayıplarını, alıcı ile verici arasındaki en yakın
noktaları (pinch point), ısı transferlerini, kimyasal reaksiyonları ve güç değişimlerini bu
grafiklerden görmenin mümkün olduğunu ifade etmişlerdir. Üç sistem için çizilen enerji
kullanım grafiklerinde, buhar enjekteli sistem için verici kaynak egzoz gazları alıcı kaynak ise
buhar, ara kızdırmalı gaz türbininde verici egzoz gazları alıcı havadır. Daha sonra yanma
odası ve gaz türbini, buhar türbini için aynı eğriler çizilerek kimyasal reaksiyonlarda ve güç
üretimindeki kayıpları göstermişlerdir.
Huang vd (2000), Buhar enjekteli gaz türbin gruplu kojenerasyon sistemine ekserji analizi
uygulamışlardır. Sistemde ikinci ürün olarak çok amaçlı soğutma hedeflemişlerdir.
Komponentlere kütle, enerji ve ekserji denge denklemlerini yazarak ekserji kayıplarını tespit
etmişlerdir. Sistemde parametre olarak kompresör basınç oranı, enjekte edilen buhar oranı,
buhar sıcaklığı ve besleme suyu miktarlarını alarak, birinci ve ikinci kanun verimlerini
yazmışlar, ısı güç oranını hesaplamışlardır. Sisteme yoğuşum kompresörü ilave edip, dışarıya
atılan yoğuşum suyunu sisteme dahil ederek aynı hesapları tekrarlamışlardır. Fakat bu
kompresörün ne birinci nede ikinci kanun verimine etki etmediğini görmüşlerdir. En fazla
ekserji bozunumunun yanma odasında ve en fazla ekserji kaçağının bacada olduğunu ifade
etmişlerdir.
Dinçer ve Muslim (2001), Ara kızdırmalı buhar türbin santralini modelleyip, termodinamik
analizini yapmışlardır. Bu amaçla santrale termodinamiğin birinci kanun ve ikinci kanun
analizlerini uygulamışlardır. Öncelikli olarak sisteme ait bütün elemanlar için enerji, kütle ve
15
ekserji denge denklemlerini yazarak, elemanların ısıl ihtiyaçlarını, iş çıktılarını, ekserji
kayıplarını ve tersinmezliklerini tespit etmişlerdir. Hesaplamaları yazarken kazan sıcaklığı ve
basıncı, ara buhar miktarı ve net işi parametre olarak almış, 400-590 C0 ve 10-15 MPa
aralığında 120 farklı durum için enerji ve ekserji verim değişimlerini incelemişlerdir. Bu
incelemelerde, diğer termodinamik özellikler Ghazlan termik santraline aittir. Ayrıca ara
kızdırma basıncı, kazan basıncının % 19’u ve alçak basınç türbinindeki basınç düşüşünün
yüksek basınç türbinidekinin % 20’si olduğu kabul edilip, türbin verimleri ve pompa
verimleri % 90 alınmıştır. Çekilen ara buharın basıncı 0.15 MPa, kondanser basıncı 7 kPa ve
kondansere giriş sıcaklığı 39 C0 olarak kabul edilmiştir. Yapılan incelemelerde, çeşitli basınç
değerlerinde ekserji veriminin enerji veriminden daha yüksek olduğu, maksimum ekserji ve
enerji verimlerinin 14 MPa basıncında olduğu, çekilen ara buharla ekserji veriminin düştüğü,
kazan sıcaklığı arttıkça ekserji bozunumunun arttığı, kazan basınç artışının ekserjideki
bozunumu çok etkilemediği görülmüştür. Çalışmanın sonucu olarak, hesaplamalarla elde
edilen değerler ile Ghazlan santralinden elde edilen gerçek değerlerin karşılaştırılıp, paralellik
olduğu tespit edilmiş ve mevcut santrallerin değerlendirilmesinde modelin uygun olduğu
belirtilmiştir. Çalışma, sadece enerji ve ekserji analizlerini içermektedir.
Verkhivker ve Kosoy (2001), Termik santrallerin ekserji analizlerini yapmışlardır. Ekserji
analizi sayesinde, komponentlerin sistem verimine etkisinin, sistemdeki bir komponentin saf
dışı kalmasının sistem performansındaki değişiminin, komponentlerin en yüksek verimleri
için sistem veriminin maksimum değerinin ve sistem verimini artırmak için metod
belirlenmesinin mümkün olacağını ifade etmişlerdir. Sisteme girenlerin ekserjilerininin,
çıkanların ekserjileri ile bozunumunun toplamı olduğunu belirtmişlerdir. Bozunumun
ekserjisinin, girenlerin ekserjilerine oranını tersinmezlik faktörü olarak tanımlamışlardır.
Bütün komponentlerin tersinmezlik faktörleri toplamının birden çıkartılmasıyla, ikinci kanun
verimi veya ekserji verimini ifade etmişlerdir. 232.6 MW’lık Ara kızdırmalı Rankin çevrimli
elektrik ve buhar üreten termik santrale ekserji analizi uygulamışlardır. Santrale yakıt ile giren
kimyasal ekserjiden hareketle, akış esnasındaki bütün kayıp ve bozunumları, elektrik ve buhar
olmak üzere ürünlerin ekserjilerini hesaplayıp, sistemin ekserji verimini elde etmişlerdir.
Daha sonra sistemde bozunumun çok olduğu ısıtıcıdaki (heater) sıcaklık farkını azaltmak
amacıyla, türbine giren buharın sıcaklığını artırmak için ara kızdırıcı (reheater) ilave etmişler
böylece bozunumu azaltmışlardır. Fakat ara kızdırma bozunumu azaltmakla beraber, yakıtla
giren ekserjiyi de artırdığı için, sistemin ekserji veriminde bir miktar azalma meydana
getirmiştir. Türbinden ara buhar çekerek, besleme suyunu ısıtıp, bozunumun çok olduğu
16
kazandaki sıcaklık farkını azaltarak, sisteme giren ekserjiyi azaltmışlar, bununda ekserji
veriminde artışa sebep olduğunu belirtmişlerdir. Böylece sistemdeki bozunumların
azaltılmasıyla, ekserji veriminin artırılabileceğini göstermişlerdir.
Alconchel, vd (1988), İspanyadaki ×3 350 MW gücündeki Teruel termik santraline ekserji
analizi uygulamışlardır. Buhar çevrimli olan tesisin gerçek değerlerinden hareketle,
simülasyonunu oluşturmuşlar ve değişik yük şartlarında tesisi değerlendirmişler, elde ettikleri
neticelerle gerçek çalışma değerlerinin paralel olduğunu ifade etmişlerdir. Her bir akış noktası
için ürün-yakıt ilişkisi ile ekserji analiz yaparak, tersinmezlik kaynaklarını tespit etmişlerdir.
Böylece tesisin herhangi bir çalışma şartındaki davranışının önceden belirlenip o doğrultuda
tedbir alınması gerektiğini ifade etmişlerdir.
Jonston, vd (2001), Amerika’daki West point askeri bölgesinde hem elektrik hem de bölgesel
ısıtma ihtiyacını karşılayan Rankin çevrimli termik santrale ekserji analizi uygulamışlardır.
Komponentlerin ayrı ayrı birinci ve ikinci kanun verimlerini yazarak, mevsimlere bağlı olarak
ısı talebine göre davranışlarını incelemişlerdir. Oldukça eski olduğunu belirttikleri tesiste
yapılacak yenileştirme işleminde enerji ve ekserji açısından hangi komponentlerin üzerinde
durulması gerektiğini tespit ederek optimizasyon yapmışlardır.
Pak ve Suzuki (1997), Gaz türbinli kojenerasyon sistemlerinin bölgesel ısıtma ve soğutma
için kullanımını ekserji açısından değerlendirmişlerdir. Çalışmada atık ısı kazanlı gaz türbin
grubu, buhar enjekteli gaz türbin grubu ve kombine çevrim santralleri belirli bir güç ve ısı için
analiz edilmiş, daha sonra değişik ısı ihtiyaçları için sistemlerin ekserjetik değerlendirmesi
yapılmıştır. Isı ihtiyaç oranı arttıkça buhar enjekteli grubun ekserji verimi artarken kombine
çevrim veriminin düşmekte olduğunu, buhar enjekteli grubun maksimum veriminin
kombineninkinden yüksek olup maksimum ısı oranında olduğunu, kombinenin maksimum
veriminin en düşük ısı oranında olduğunu ifade etmişlerdir. Böylece bölgenin ısı haritası,
talep miktarları ve zamanları çıkartılarak, buna göre sistemin belirlenmesinin uygun olduğunu
belirtmişlerdir.
Marrero, vd (2002), Kombine gaz-buhar –amonyak çevrimli tesisin ikinci kanun analizini ve
optimizasyonunu yapmışlardır. Brayton çevrimi ile çalışan gaz türbin grubuna ilave edilen
atık ısı kazanı ile elde edilen buharla çalışan Rankin çevrimli buhar türbin grubu ve ona ilave
edilen amonyak çevrimli türbin grubuna birinci ve ikinci kanun verimlerini yazarak
simülasyonunu yapmışlardır. Çevrime etki eden parametreler olarak kompresör basınç oranı,
gaz türbin giriş sıcaklığı, kompresör ve türbin izentropik verimleri,atık ısı kazanındaki en
17
düşük sıcaklık farkı (pinch point), atık ısı kazanı ve regeneratör verimlerini almışlar, bunlara
bağlı olarak tersinmezlikleri ve ikinci kanun verimindeki değişimleri incelemişlerdir. Çevre
sıcaklık değişiminin de ekserji verimine etkisini belirlemişlerdir. Türbin giriş sıcaklığının
artışıyla yanma odasındaki tersinmezliklerin arttığını, yanma odasına enjekte edilen buhar
miktarıyla tersinmezliklerin artığını, atık ısı kazanındaki sıcaklık farkının çevrim verimine
çok az etki ettiğini ve üçlü çevrimle verimin % 60 civarına çıktığını ifade etmişlerdir.
Bu çalışmada ise halen faal olarak çalışmakta olan General Elektrik LM 2500 gaz türbininin
çalışma esnasındaki parametre değerleri çeştli kompresör devirleri için tespit edilmiştir. Bu
parametreler kompresör giriş sıcaklığı, kompresör çıkış sıcaklığı/yanma odası giriş sıcaklığı,
yanma odası çıkış sıcaklığı/türbin giriş sıcaklığı, türbin çıkış sıcaklığı ve yakıt giriş miktarıdır.
Bu parametrelere bağlı olarak yanma odası girişine kadar sisteme giren gazların ve yanma
odası ve türbin çıkışında ise sisteme giren gaz ve yakıtın entalpi ve entropi değerleri
hesaplanarak sistemin ekserjik ve termodinamik analizleri sayısal olarak hesaplanmıştır.
1.2 GAZ TÜRBİNİ KULANIMININ TARİHSEL GELİŞİMİ Bir geminin ana makinesinin seçimi oldukça önemlidir. Pervane ve sevk sisteminin genel
verimi makine gücü ile elde edilir. Bu gücü çeşitli tahrik üniteleri ile sağlamak mümkündür.
Bu aşamada makine seçim kriterleri devreye girer. Ağırlık, hacim, maliyet, işletme masrafları,
geminin elektrik ve ısı ihtiyacı, güvenirlilik, bakım gereksinimleri, manevra yeteneği, montaj
ve onarım süresini, titreşim ve gürültü gibi kriterler göz önüne alınarak makine tipi seçilir.
Gemilerde kullanılan tahrik sistemlerinden istenen en önemli özellik işletme güvenliğidir.
Gemilerde bulunan yolcu, mürettebat ve yükün emniyetli taşınması için IMO(Uluslararası
Denizcilik Örgütü) tarafından katı kurallar konulmuştur. Bu nedenle gemide kullanılacak
herhangi bir teçhizatın ve ana makinelerin bu kriterleri sağlaması gereklidir. Örneğin dalgalı
bir denizde seyreden gemi dalgaların etkisi ile hem baş-kıç hem de yalpa hareketi yapacaktır.
Ayrıca dalgaların etkisi ile gürültü ve titreşim meydana gelecektir. Bu tesirlerin etkisinde
kalan geminin sağlıklı olarak çalışması şarttır. Uluslararası kurallara göre gemilerde
kullanılan gaz türbinlerinin yüksek meyil açılarında dahi emniyetli çalışması gereklidir.
Ayrıca geminin bulunduğu ortam şartları nedeniyle nemli ve içinde tuz zerrecikleri bulunan
ortamda çalışmaları gereklidir. Bu durumda tuz zerrecikleri kompresör ve türbin kanatlarına
kanat yüzeylerine yapışarak verim düşüşüne neden olurlar.
İşletme emniyeti yanında ticari amaçlı gemilerde ve savaş gemilerinde ana tahrik için istenen
özellikler farklılıklar gösterebilir. Ticari bir gemi için ekonomiklik ilk sırada yer alırken,
18
savaş gemilerinde yüksek hız/manevra kabiliyeti, hacim ve ağırlık kriterleri ön plana çıkar.
İşletme maliyetleri içinde en önemli yeri yakıt giderleri tutmaktadır. Gemilerde kullanılan
bazı gaz türbinlerinin güç ve özgül yakıt tüketim değerleri verilmiştir (Çizelge 1.1).
Çizelge 1.1 Gemi sevkinde kullanılan bazı gaz türbinlerinin güç ve özgül yakıt tüketim değerleri
Gaz türbini tipi Güç(kW) Özgül yakıt tüketimi (g/kWh)
Rolls Royce Tyne 4000 290
Rolls Royce Olympus 21000 300
General Electrıc LM-2500 21000 230
Gemilerin tahrikinde ana tahrik olarak gaz türbinlerinin kullanılması 1937‘li yıllara dayanır.
Almanlar ikinci dünya savaşı sıralarında gaz türbinlerini denizaltı gemilerinde
kullanmışlardır.İkinci dünya savaşından sonra İngiliz deniz kuvvetleri denizaltlılarında
kullanmış daha sonra Amerikan ve Fransız deniz kuvvetleri gemilerinde gaz türbinlerini
kullanmışlardır. Bir gaz türbini tarafından kısmi olarak güç sağlanan ilk gemi 1947 yılında
denize indirilen İngiliz donanmasına ait bir tekne olmuştur. Burada kullanılan gaz türbinin
gücü 1865 kW olup bu ilk uygulamanın amacı gaz türbini dizaynı ve işletmesi hakkında
tecrübe kazanmak idi. Birkaç küçük ve hızlı teknede gaz türbini kullanıldıktan sonra İngiliz
donanması 1950’lerde muhrip ve firkateyn sınıfı gemilerinde yaygın olarak gaz türbini
kullanılmaya başlanılmıştır. Gaz türbinleri halen deniz kuvvetlerinde dizel motorlar ile
birlikte kombine olarak veya yalnız başlarına ana tahrik unsurları olarak kullanılmaktadırlar.
Bahriyemize Olıver Hazard(perry) sınıfı firkateynlerin Amerika Birleşik Devletlerinden
transfer edilen 8 adet firkateyn ile giren gaz türbinleri LM-2500 olup her gemide 2 adet vardır
ve ana tahrik unsurları olarak kullanılmaktadırlar.
Ticaret gemilerinde kullanılmaları biraz daha gecikmeli olmuş ve deneme niteliğinde kalarak
yaygınlık göstermemiştir. Çizelge 1.2’de ticaret gemilerinde gaz türbinlerinin ilk
uygulamaları verilmiştir.
19
Çizelge 1.2 Ana tahrik olarak gaz türbini kullanılan ilk ticaret gemilerine ait bilgiler
Gemi adı Aurıs1 (İngiltere) Aurıs 1 (İngiltere) John Sergeant(Usa)
Yük taşıma
kapasitesi(DWT)(ton)
12300 12300 9000
Hızı(knot) 12 14 17
Makine gücü(HP) 3355 4100 5600
Yanma odası çıkış gaz
sıcaklığı( C)
600 650 790
Türbin/pervane deviri(rpm) 5700/120 6800/120 6900/115
İnşa yılı 1951 1959 1956
Günümüzde gemi inşaatı pazarında hızlı gemilere doğru bir eğilim bulunmaktadır. Yolcu
gemileri, feribotlar ve yüksek süratli küçük teknelerde düşük ağırlık/güç oranı nedeniyle gaz
türbinleri yüksek hızlı dizel makinelere iyi bir alternatif oluşturmaktadır.Örnek olarak Villum
Clausen isimli feribot 597 yolcu, 186 araç kapasitesine sahiptir. 2 adet GE LM 2500 gaz
türbini tarafından tahrik edilmektedir toplam kurulu gücü 18000kW, türbin devri ise 3600
dev/dk’dır. Geminin servis hızı 41 knot, maksimum sürati 47.7 knot’tır.yakıt tüketimi
maksimum gücün % 85’inde yaklaşık olarak 7.4 ton/saat’tir.
20
2. GAZ TÜRBİNİ TERMODİNAMİK ÇEVRİMİ
Brayton çevrimi ilk olarak 1870’li yıllarda George Brayton tarafından, kendi geliştirdiği yağ
yakan pistonlu motorlarda kullanılmak üzere öne sürülmüştür. Bugün Brayton çevriminin
kullanımı, sıkıştırma ve genişlemenin eksenel kompresörler ve türbinlerde olduğu gaz
türbinleriyle sınırlıdır. Gaz türbinleri açık çevrimle çalışırlar. Çevre koşullarındaki hava,
kompresör tarafından emilerek sıkıştırılır, basıncı ve sıcaklığı artar. Yüksek basınçlı hava
daha sonra, yakıtın sabit basınçta yakıldığı yanma odasına girer. Yanma sonunda oluşan
yüksek sıcaklıktaki gazlar türbinde çevre basıncına genişlerken iş yapar. Türbinden çıkan
egzoz gazları atmosfere atılır. Böylece açık çevrim gerçekleşmiş olur.
Açık gaz türbini çevrimi hava standardı kabulleri uygulayarak kapalı bir çevrim olarak
düşünülebilir. Kapalı çevrimde sıkıştırma ve genişleme işlemleri değişmemektedir, fakat
yanma işleminin yerini sabit basınçta ısı geçişi, egzoz işleminin yerini ise çevreye sabit
basınçta ısı verilmesi almaktadır. Aracı akışkanın kapalı bir çevrimde dolaştığı ideal çevrim
Brayton çevrimi olarak adlandırılır.
Şekil 2.1 Brayton çevrimi P-V, T-S diyagramları
Brayton çevrimi dört tersinir hal değişikliğinden oluşur (Şekil 2.1).
1-2 arasında kompresörde izantropik sıkıştırma
2-3 arasında sisteme sabit basınçta ısı geçişi
3-4 arasında türbinde izantropik genişleme
4-1 arasında çevreye sabit basınçta ısı geçişi
Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edildiği zaman, sürekli akışlı açık sistemlerin
enerjinin korunumu denklemi birim kütle için şu şekilde yazılır.
21
gç hhwq −=− (2.1)
Özgül ısıların oda sıcaklığında sabit kaldığı kabul edilirse(soğuk hava standartı kabülü)
sisteme ve sistemden ısı geçişleri şöyle olacaktır.
)( 232323 TTChhgq Pg −=−== (2.2)
)( 141441 TTChhqq Pç −=−=−= (2.3)
Bu denklem kullanılarak ideal Brayton çevriminin verimi aşağıdaki gibi ifade edilir.
)1/()1/(
1)()(
11232
141
23
14, −
−−=
−−
−=−==TTTTTT
TTCTTC
qw
P
P
g
ç
g
netBraytonthη (2.4)
1-2 ve 3-4 hal değişimlerinin izantropik ve ,32 PP = 14 PP = göz önüne alınırsa,
( ) ( )
4
3
/1
4
3
/1
1
2
1
2
TT
PP
PP
TT
kkkk
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−−
(2.5)
olur,ısıl denklem de sadeleştirme yapılırsa
kkp
Braytonth r /)1(,11 −−=η (2.6)
denklemi elde edilir.
Basit bir gaz türbini kompresör, yanma odası, güç türbininden oluşur. Bu gaz türbininin esas
termodinamik çevrimi şöyledir:
Sabit entropide sıkıştırma (kompresör), sabit basınçta yanma (yanma odası), sabit entropide
genleşme (türbin) ve sabit basınçta atmosfere çıkış (egzoz). Termodinamik çevrim Şekil 2.1
‘de verilmiştir.
Basit bir gaz türbininin çalışma prensipleri Şekil 2.1, yardımıyla incelenecek olursa:
1-2 Fazında çalışma maddesi hava kompresör giriş kısmından (atmosferden) emilerek
basıncı arttırılır ve yanma odasına sevk edilir. 1-2 Fazında basınç ve sıcaklık artar, hacim
küçülür
2-3 Fazında yakıt nozulları vasıtasıyla sıkıştırılmış hava üzerine yakıt püskürtülür ve bu
karışım bir buji vasıtasıyla yakılır. 2-3 Fazında sıcaklık ve hacim artar, basınç sabittir.
22
3-4 Fazında ısınan ve hızla genleşen gazlar yanma odasından çıkarak türbin rotoruna sevk
edilir. Türbin hareketli ve sabit kanatları (Rotor X Stator) arasından geçen gazlar taşıdıkları
termal ve kinetik enerjilerini mekanik enerjiye dönüştürürler. 3-4 Fazında hacim artar,
sıcaklık ve basınç düşer.
4-1 Fazında atmosfer basıncına kadar genleşmiş olan gazlar üzerlerinde bir miktar termal
enerji olduğu halde atmosfere egzoz edilir. 4-1 Fazında basınç sabit kalır, sıcaklık ve hacim
düşer.
Yanma odasında ilk olarak buji vasıtasıyla başlatılan yanma neticesi meydana gelen sıcak
gazlar türbin üzerinde genleşirken ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşür. Türbinin dönmesi ile
aynı şafta bağlı olan kompresör dönmeye devam eder ve yanma odasına sevk olan hava ve
üzerine püskürtülen yakıt yanmakta olan karışım ile alevlenerek yanmasına devam eder.
Böylece türbinin dönmesi ile türbinin diğer ucundan güç elde edilir ve bu çıkış başladıktan
sonra olay sürekli, kararlı, ve kendini devam ettirecek bir şekle dönüşür.
Gaz türbininin termodinamik etüdü dört ana kabulden dolayı çok kolaylaşır.
1) Gazların sıcaklığını azaltmak üzere gereğinden çok fazla hava (normal yanma havasının 4-5 katı) atmosferden alınır ve böylece hava/yakıt oranı (yaklaşık 60/1) içinde yakıt kütlesi hava kütlesine nazaran ihmal edilebilir ve sistem giriş çıkış debisi sabittir.
2) Kullanılan akışkan hava, ideal gaz koşullarını sağlar ve çevrim boyunca bileşimi ve özgül ısısı değişmez.
3) Atmosfere çıkış sıcaklığı yüksek olduğu için yoğunlaşabilir ürünlerinde gaz olarak çıktığı kabul edilir.
4) Akım sürekli olduğu için muayyen kesitlerdeki akış hızı sabit ve homojendir. Kesit geçişlerindeki basınç kayıpları ve kinetik enerji farkları ihmal edilebilir.
2.1 Temel Gaz Türbin Teorisi
2.1.1 Yakınsaklık ve Iraksaklık Kavramı Gaz türbininin uygun çalışması için iki faktör gereklidir. Bunlardan birincisi Newton'un 3.
kanunu, diğeri yakınsaklık ve ıraksaklık işlemleridir ki burada yakınsaklıktan kasıt nozul,
ıraksaklıktan kasıt ise difüzerdir. Bernoulli prensibi de bu işlemler için geçerlidir. Venturi
olayı, (otomobil karbüratörlerindeki gibi) Bernoulli prensibi ve yakınsak/ıraksak işlemlere
güzel bir örnek teşkil eder. Bernoulli prensibine göre, eğer bir akışkan nozul üzerinden
geçirilirse akışkanın hızı artar ve basıncı azalır veya akışkan bir difüzerden geçirilirse bu
durumda ise olayın tersi gerçekleşir yani hız azalır ve basınç artar. Türbin sabit kanatları
nozula, kompresör sabit kanatları ise difüzere örnek teşkil etmektedir. Nozul ve difüzer Şekil
23
2.2’de gösterilmiştir.
Şekil 2.2 Nozul ve Difüzer
2.1.2 Gaz Türbin Oluşumunun Esasları
Eğer kompresörü bir şaft ile türbine bağlarsak basit bir gaz türbini elde ederiz. Kendi
kompresörünü çalıştırmak ve faydalı iş yapmak için yeterli gücü sağlayabilir. Elde edilen
faydalı iş`i ise bir jeneratörün veya gemi pervanesinin çevrilmesinde kullanabiliriz.
Şekil 2.3 Gaz türbininde nozul ve difüzer olayı
KOMPRESÖR
KANATLARI
KOMPRESÖR
ROTORU
HAVA GİRİŞİ
EGZOZ
YANMA ODASI
DİFÜZER
KOMPRESÖR
KANATLARI
TÜRBİN ROTORU
TÜRBİN TÜRBİN KANATLARI
24
2.1.3 Genel Gaz Türbin Çalışma Prensibi Gaz türbinlerinin çalışması esnasında basınç, hız ve hacimde değişiklikler meydana
gelir.Yakınsak - işlemi Bernoilli prensibinin bir uygulamasıdır. (Bir tüp boyunca akan bir sıvı
daralan tübe yaklaşırsa tüp boyunca akan sıvının hızı artar ve basıncı azalır. Sıvı boruyu terk
edince ise tersi doğrudur. Hız azalır ve basınç azalır. Boyle ve Charles kanunu ile bu işlem
esnasında karşılaşılır. Hava kompresörün ön tarafından girer. Kompresörün döner elemanı
rotor dizaynında arkalara doğru olan alanda azalma oluşturulmuştur. Bu daralan yapı yakınsak
bir alan oluşturur.
Her bir dönen kademe arası bir sabit kademe veya statordur. Stator kısmi olarak yüksek hızı,
basınca dönüştürür ve havayı bir sonraki dönen hareketli kanada sevk eder. Her bir çift rotor-
stator kanadı bir basınç kademesini oluşturur. Her bir kademede basınç artar , hacim
azalır(Boyle Kanunu). Bu işlem havanın difüzere girmesine kadar devam eder.
Difüzer kısa bir bölümdür. Bu bölgede çok büyük bir değişiklik olmaz. Hava difüzerin sonuna
yaklaşırken ıraksaklaşır.Yani bu noktada havanın hızı azalır , basınç ve hacim artar. Basınç
difüzer boyunca sabit kalırken , burada hız enerjisi basınç enerjisine dönüşür. Bernoilli
prensibi ve Boyle kanununun tersi oluşur. Kompresör devamlı olarak bu bölgeye daha fazla
hava gönderir ve bu bölgede sabit basınç ve debide bir hava akışı sağlanır. Havanın yanma
odasına girmesi ile sabit basınçta yanma meydana gelir. Yanma sonunda havanın ve yanmış
gazların hacminde büyük bir artış meydana gelir (Charles Kanunu ).
Yanmış gazlar arkaya türbin nozul bölgesine doğru ilerler. Bu kısımda hız artar, basınç azalır,
yüksek sıcaklık , yüksek hız ve alçak basınçlı gazlar türbin giriş nozulu üzerinden türbin
rotorunun birinci kademesine girer.
Yüksek hız, yüksek sıcaklıktaki gazlar, hız enerjisi ve ısı enerjisini türbin kanatlarına transfer
ederek rotorun dönmesini sağlar.Bu bölge ıraksak bir bölge yani difüzer özelliğindedir. Her
bir dönen türbin kademesi arası bir statik kademe veya nozuldur. Bir türbin nozulu bir dizi
vane'li bir stator ringidir. Vane'ler yanma gazlarını türbin kanatları üzerine düzgün olarak ve
tam açıda yöneltir. Vane'ler arasındaki pasajlar türbinin son kademelere doğru genişleyen
ıraksak şekil ve görünümü nedeniyle ıraksak nozul olarak dizayn edilmiştir. Her bir peş peşe
gelen nozul kademesi üzerinden geçtikçe, hız gaz üzerine verilir. Her bir nozul gazın
genişlemesini kontrol ederek ısı ve basınç enerjisini hız enerjisine çevirir. Her bir türbin
25
kademesi bir öncekinden daha büyüktür. Basınç düşüşü oldukça hızlıdır. Sonuçta her bir
kademe, düşük basınç, düşük sıcaklık ve büyük hacimdeki gazın enerjisini kullanmak için
daha büyük olmalıdır. Türbinde şekil ve saha itibarıyla ıraksaklık söz konusudur. Bu husus
basınç enerjisini çok süratli düşürüp gazların çabuk genleşmesinin sağlanması için
düşünülmüştür.
Atmosfer havasının, kompresör tarafından basınç ve hızı arttırılır ve hacmi azaltılır. Her bir
kademe havayı sadece 1.2 kez sıkıştırır. Türbin rotorunda gazlar ısı ve basınç enerjisini
bırakır ve altı kademe boyunca hacmi artar. Bu süratle olmazsa, bu olay yanma odasındaki
sıcak gazların kompresör kademelerine doğru ilerlemesine ve kompresör disçarç havasının
kesilmesine "surge" ve "stall" (vınlama, hoplama, gümbürdeme) olaylarına neden olacaktır.
Surge ve Stall olayı birkaç saniye içinde bir gaz türbinin hurda hale gelmesine neden
olabilmektedir. Bu nedenle böyle bir olayın meydana gelmesi durumunda derhal türbin stop
edilmelidir.
Egzoz gazları türbin son kademesinden atmosfere atılmaktadır. Egzoz çıkışının ileri bölümleri
de ıraksak bölgenin devamıdır. Bu nedenle sıcak gazların genleşmesi basınç ve hızlarının
düşmesi bu bölgede de devam etmektedir. Egzoz bölgesinin uzunluğuna ve çapına bağlı
olarak gazlar atmosfer basıncının az üzerinde bir basınçla atmosfere egzoz edilir.
2.1.4 İtme Kuvvetine Çevrenin Etkileri Yüksekliğin fazla olması-(hava soğuk ve yoğunluğu az) yüksek sıcaklık-(moleküller serbesttir
ve bir arada duramazlar) düşük barometrik basınç-(düşük çalışma noktası) ve yüksek nem
nedeni ile düşük miktarda hava akımının olması ve düşük güç demektir.
Düşük yükseklik, düşük sıcaklık, düşük nem ve yüksek barometrik basınç fazla miktarda hava
akımı ve buna bağlı olarak yüksek güç demektir. Bir gaz türbininin verimi yakıtı kuvvet veya
güce etkin olarak çevirebilmesi veya saatteki yakıt tüketimi başına elde edilen itme kuvvetinin
karşılığı özgül yakıt tüketimi tarafından belirlenir. Hava ve yakıt bir gaz türbininde güç
üretimi amacıyla birlikte kullanılırlar. Havanın normal bileşimi :
% 21 Oksijen
% 78 Nitrojen
% 1 Diğer gazlardır.
% 21 Oksijen, yakıtın yakılması veya oksitlenmesi için kullanılır. Geri kalan % 79’lik kısım
gaz türbini çevriminde kimyasal etkisi olmayan ve işe yaramayan kısımdır.
26
Sıkıştırma Oranı: Sıkıştırma oranı, kompresör çıkış basıncının kompresör giriş basıncına
bölümüne eşittir.
Kompresör hava akımı miktarı (kütlesel debi): Kompresörün kütlesel debisi öncelikle
kompresör giriş kesit alanına bağlı olmakla birlikte hıza, kompresör rotorunun dönüş hızına
ve çevre veya dış ortam havasının özelliğine bağlıdır.
Her bir kanat kademesi veya kademeden kademeye geçtikçe kanat dik kesit alanı giderek
azalır böylece hava akımının basıncı ve sıcaklığı kompresör çıkışına doğru önemli miktarda
artar. Kompresör kanat kademelerinde yapılan toplam iş miktarı (pompalama ve sıkıştırma)
çok küçüktür. Böylece toplam sıkıştırma oranı her bir kademedeki sıkıştırmanın toplamı
olmaktan ziyade çarpımıdır.
Basınç oranı her bir kademe için aynıdır fakat son kademede basınç artışı daha büyüktür. Hız
ve yoğunluk kompresör boyunca basınç artışında bir etkiye sahiptir. Sıkıştırma oranı gaz
türbini hızıyla artacak veya azalacaktır. Kompresör giriş sıcaklığı aynı zamanda kompresör
boyunca basınç artışı üzerinde bir etkiye sahiptir.
Kompresördeki hava akımının durması kompresörden akan düzensiz hava akımı ile
gerçekleşir. Kompresör çıkışındaki hava yanma ve motorun içindeki parçaların soğutulması
için kullanılır. Yaklaşık %20 si yanma odasında kullanılırken %80 i soğutma için kullanılır.
Türbinin sıcaklığı yalnız kompresörün durmasından dolayı artmaz, aynı zamanda zengin yakıt
karışımı da buna neden olur. Fakat egzoz gazlarının sıcaklığının artması türbin soğutma
havasının azalması (kompresörün hava akımının durması nedeniyle) sonucunda da olur.
2.2 Gerçek G/T Çevriminde Verimi Etkileyen Faktörler
2.2.1 Çalışma Maddesinin Hızı Türbo makinelerde akışkan hızı yüksek olduğundan her elemanın giriş ve çıkış arasındaki
kinetik enerji değişimi ihmal edilemez. Aynı nedenlerle sürtünme, türbülans, cidardan
ayrılma, şok gibi nedenlerle meydana gelen kayıplar olduğu için türbin ve kompresördeki
genleşme ve sıkıştırma izentropik değildir. Giriş ve çıkış arasında entropi artışı olur.
2.2.2 Basınç Kayıpları Yanma odalarında alev dengeleyici ve karıştırıcı parçaların aerodinamik dirençlerinden ve
egzotermik reaksiyonun neden olduğu momentum değişikliklerinden dolayı toplam basınçta
bir azalma olur. Ayrıca akışkanın sürtünmesinden dolayı bütün birimlerde ve özellikle
27
kanallarda basınç düşmeleri olur ve bunlar genellikle birim kayıplar içinde göz önüne alınır.
Bu kayıplar yüzünden türbindeki basınç oranı kompresördekine nazaran azalır ve dolayısıyla
net işte bir azalma meydana gelir.
2.2.3 Yardımcı Elemanlar Çevrimden elde edilen faydalı işin bir kısmı yataklarda, kompresör ve türbin arasındaki
bağlantılarda, yağ motorin tulumbası gibi elemanların çevrilmesinde kullanılır. Kompresörde
sıkıştırılan havanın bir kısmı da türbin kanatlarının, yanma odası çeperlerinin, tahrik şaftının
ve çeşitli yardımcı elemanların soğutulmasında kullanılır.
2.2.4 Debi Artması Yanma odasına giren havaya % 1-2 yakıt/hava oranında yakıt eklendiğinden yanma odası
giriş çıkışı arasında bir debi artışı vardır.
2.2.5 Çalışma Maddesi Kullanılan akışkanın termodinamik özellikleri, çevrim boyunca sıcaklık ve kimyasal bileşimin
değişmesi ile ayrıca giriş havasındaki nem ve toz miktarı ile değişir.
2.3 Açık Çevrimli Gaz Türbinlerinde Termal Verimi Etkileyen Faktörler
2.3.1 Yakıt Miktarı Yanma odasına püskürtülen yakıt miktarında bir azalma olursa kompresörde sıkıştırılan
havaya eklenen ısı miktarı azalır. Gazların iç enerjisinde meydana gelen düşme türbin rotoru
dönüş hızını azaltır. Basınç oranı ve debi düşer. Bu durumda birimler düşük verimle
çalışacağından sistemin toplam termik verimi düşer.
2.3.2 Basınç Oranı Belirli bir değere kadar artan basınç oranı termik verimi arttırmasına karşın belirli değerlerden
sonra çok yüksek basınç oranları termik verimi azaltır.
2.3.3 Kompresör Giriş Isısı Kompresör giriş sıcaklığı düştükçe sıkıştırma işlemi kolaylaşacağından kompresörde
harcanan güç azalacaktır ve termik verim artacaktır.
Şöyle bir örnek verecek olursak, kompresör giriş sıcaklığındaki 1ºF’lik artış türbin toplam
gücünde % 0.5‘lik bir azalma meydana getirecektir. Bu güç kaybının telafisi için yanma
28
odasına daha fazla yakıt püskürtülmesi ortaya çıkacaktır. Tersi olayda ise aynı gücü elde
etmek için yanma odasına daha az yakıt püskürtülecek ve yakıt tasarrufu sağlanmış olacaktır.
2.3.4 Kompresör Kanat Temizliği Kompresörün atmosferden emmiş olduğu havanın içinde bulunan toz, tuz ve yağ zerrecikleri
kompresör kanatları üzerinde birikerek kanat aerodinamiğini bozar. Bu durum kanat
üzerindeki hava akışını bozarak tersine kuvvetler oluşturur ve kompresörün dönüşünü zorlar.
Devir düşmesini karşılamak üzere yanma odasına daha fazla yakıt püskürtülmesi gerekir.
Kanatların kirlenmesi aynı zamanda hava akışında kesintilere, kompresör çıkış basıncında
düşmelere neden olacağı için Surge-Stall-Choke gibi tehlikeli olayları meydana getirecektir.
2.4 Açık Çevrimli Gaz Türbinlerinde Verimi Arttırma Yöntemleri
2.4.1 Rejeneratörlü Gaz Türbin Çevrimleri Basit gaz türbini çevrimlerinde sistem verimlerini arttırmak için bazı ilave cihazlar
kullanılabilir. Bunlardan biri olan rejeneratörler atmosfere atılmakta olan gazların halen sahip
oldukları termal ve iç enerjilerinden yararlanarak kompresör verimini arttırarak verime
katkıda bulunurlar. Şekil 2.4‘de rejeneratör ilave edilmiş bir gaz türbini görülmektedir.
Şekil 2.4 Rejenaratörlü gaz türbini çevrimi
Türbinde genleşen gazların açık ve basit çevrimli gaz türbinlerinde atmosfere atılmaktadır. Bu
egzoz gazları içindeki artık termal enerji kompresörden çıkan sıkıştırılmış havanın yanma
odasına girmesinden önce bir ısı değiştirici aracılığı ile ön ısıtmaya tabi tutulması amacıyla
kullanılırsa bu sisteme rejeneratör adı verilir. Isıtma işlemi sıkıştırma işleminden sonra
olacağı için kompresör verimi menfi olarak etkilenmez fakat yanma odasına daha az yakıt
29
püskürtüleceği için yanma odası verimi artar. Rejeneratör dizaynında dikkat edilmesi gereken
husus basınç kayıplarının olmamasıdır. Soğuk taraftaki basınç düşüşleri kompresör işini
arttırır. Sıcak taraftaki basınç yükselmeleri ise türbin üzerinde ters basınç yaratarak türbin
işini azaltır dolayısıyla sistemin verimi azalır.
2.4.2 Ara Soğutmalı Gaz Türbin Çevrimleri Havanın kompresörde sıkıştırılması işlemi izotermal işleme yaklaştığı oranda kompresör işi
azalır. Dolayısıyla sistem verimi artar. Gerçek gaz türbini çevrimlerinde izotermal işleme
yaklaşabilmek amacıyla sıkıştırma olayı iki veya daha fazla kademeye bölünür. Hava iki
sıkıştırma kademesi arasında bir ısı değiştirici vasıtasıyla soğutulur. Hava soğudukça
yoğunluğu artacağı için daha az güç harcanarak gerçekleşir. Adı geçen ısı değiştiriciye ara
soğutucu denir. Şekil 2.5‘da ara soğutucu ilave edilmiş bir gaz türbini çevrimi görülmektedir.
Şekil 2.5 Ara soğutmalı gaz türbini çevrimi
İki kademeli ara soğutması olan bir sistemde, en düşük güç gereksinmesi; toplam basınç
artışı, kademeler arasında eşit olarak bölündüğü zaman oluşur.
2.4.3 Ara Kızdırmalı Gaz Türbin Çevrimleri Basit gaz türbin çevrimlerinde gaz karışımı izantropik işlemle genleşir. Ancak türbinler
izotermal genleşmede daha iyi verim sağlar. Gerçek gaz türbinlerde yaklaşık izotermal işlem
elde edebilmek için genleşme olayı iki veya daha fazla kademeye bölünür ve gazlar birinci
türbin kademesinden çıktıktan sonra ikinci kademeye girmeden önce türbin giriş sıcaklığına
30
kadar ikinci bir yanma odası vasıtasıyla ısıtılır. Kademe sayısı arttıkça izotermal işleme
yaklaşılır. İkinci yanma odasına ara kızdırma adı verilir. Şekil 2.6‘de ara kızdırmalı gaz
türbini çevrimi görülmektedir.
Şekil 2.6 Ara kızdırmalı gaz türbini çevrimi
Yukarıda bahsedilen verim arttırıcı yöntemler tek başlarına sisteme ilave edildikleri gibi
bunların kombinasyonları da oluşturulabilir. Şekil 2.7 ve Şekil 2.8‘de rejeneratör ve ara
soğutuculu, rejeneratör-ara soğutucu ve ara kızdırmalı G/T çevrimleri görülmektedir.
Şekil 2.7 Rejeneratörlü ara soğutulucu gaz türbini çevrimi
31
Şekil 2.8 Rejenaratörlü ara soğutulucu ve ara kızdırıcılı gaz türbini çevrimi
2.5 Gaz Türbinlerinin Kullanılması Gaz türbinleri, güç çıkışına oranla ağırlıklarının az olması ve az yer kaplamaları nedeniyle
diğer bütün içten yanmalı makinelere tercih edilir. Ancak pistonlu makinelere nazaran yakıt
masrafları çok fazla olduğu için yüksek süratli hava yastıklı gemiler (SES) dışında akaryakıt
sarfiyatının düşünülmediği sahada uygulanır. Genel olarak ifade edilirse bir dizel motorun
ürettiği her bir beygir gücüne karşılık ağırlığı bir gaz türbininin 5-10 katıdır. İktisadi seyir
bakımından ise dizeller deniz suyundan daha az etkilenip bakım tutum kolaylığı nedeniyle
daha çekici olurlar. Savaş gemilerinde çok kısa sürede yüksek sürat istenirse gaz türbinleri
tercih edilir. Bugün birçok donanmada dizel istenmesine karşılık İngiliz Donanması gaz
türbinlerinin kullanılması için prensip kararı almıştır. Gaz türbinlerinden elde edilen şaft gücü
şu maksatlar için kullanılabilir:
1) AC/DC Jeneratörlerin tahriki
2) Gemi pervanesinin tahriki
3) Uçak veya helikopter pervanesi tahriki
4) Tulumba veya kompresör tahriki
5) Ağır tonajlı kara araçlarının tahriki
Bu yerlerde gaz türbinlerinin kullanımı için gaz türbinin belirli kontrollere ihtiyacı vardır.
Kullanım yerlerine göre kontrolü gereken parametreler şunlardır :
32
1) AC jeneratörler için üretilen voltajın frekansı
2) Gemi ana makinesi için gemi sürati
3) Uçak ve helikopter için uçuş süratleri
4) Tulumba ve kompresör için kapasite
5) Kara taşıtları için sürat
Bu parametrelerin kontrolüne ana kontroller denir. Örneğin AC jeneratörlerde kullanılan gaz
türbinlerinde ana kontrol sistemi bütün yüklerde üretilen voltajın frekansını yani türbin
devrini sabit tutar. Oysa ana makinesi sabit olarak piçli bir pervaneyi çeviren gaz türbininin
ana kontrol sistemi belirli bir şaft devrinde şaft torkunu sabit tutar. Dolayısıyla kontrol için ilk
ihtiyaç, elde edilen gücün gerekli şekilde kullanımı ve gaz türbininin kullanım maksadı ana
kontrol sistemini belirleyecektir. Ayrıca bütün kullanım yerleri için müşterek olmak üzere gaz
türbininin koruyucu kontrollere ihtiyacı vardır.
2.5.1 Gemi Ana Makinası Olarak Gaz Türbini Kontrolu 1) Gemide ana makina olarak kullanılan gaz türbinleri için temel kontroller Gemi
sürati,srast,yakıt akışı,şaft devri (rpm).
a. Gaz türbininde iki ayrı devir mevcuttur.
1) Gaz üretici türbin devri Ngg
2) Güç türbin devri Npt
b. Pervane şaft devir değişikliği
1) Güç türbini devri (piç açısı sabit)
2) Piç açısı değişimi (güç türbin devri sabit)
c. Pervane devir yönünün aksedilmesi (Tornistan)
1) Piç açısının ters çevrilmesi
2) Glaç
2) Diğer kontroller ise : Uzaktan kumanda, start ve stop, ivmelenme ve yavaşlama, makinelerin değişimi (G/T den dizele veya iktisadi sürat G/T ne geçiş veya tersi)
3) Makinenin korunması : Ani yük kaybı (ambeleye kalkma), yanlış kumanda, aşırı ve çok ani yükleme, G/T bünyesinde arıza (kanat kopması, nozul arızası), yardımcı sistem arızası (y.yağı, hava, yakıt v.s.)
33
4) Gaz türbinlerinde kullanılan kontrol sistemlerinden beklenilen özellikler : Kumanda çabukluğu, kararlı çalışma, hassasiyettir.
5) Gaz türbininin normal çalışma durumunda kontrol edilecek parametreler : gaz üretici türbin devri (Ngg), güç türbin devri (Npt), türbin giriş sıcaklığı (TIT) dır (egzoz gaz harareti de EGT sayılabilir).
34
3. LM 2500 GAZ TÜRBİNİ EKSERJİ ANALİZİ
3.1 Gaz Türbini Hal Noktaları Gaz türbini hal noktaları Şekil 2.9’da gösterilmiştir. Bir savaş gemisinde bulunan LM-2500
gaz türbininin kompresör, yanma odası ve türbin kısımları modül içinde bulunmakta olup
ridakşınger bağlantısını yapan sss glaç ve ridakşınger modül dışındadır.
Kompresör 16 kademeden oluşmakta olup, ilk startı gemi dizelleri üzerinde bulunan start air
kompresör(SAC) ile veya gemide bulunan yüksek basınç kompresörleri ile yapılmaktadır.
Rölanti devrine ulaştıktan sonra türbin kademesinin ön kısmında bulunan yüksek basınç
türbini ile döndürülmektedir. 16 kademenin 7 kademesinde bulunan kanatlar sabit olmayıp
açıları yük durumuna göre değişmektedir.
Yanma odası kompresör çıkışında bulunmakta olup 2 adet buji ile ateşleme yapılmaktadır.
Ayrıca 30 adet yakıt nozulu ile yanma odasına yakıt püskürtülmektedir. Yanma odasına gelen
havanın % 25’i yanmayı merkezlemek ve %5’i yanma odasını soğutmak için kullanılır.
Türbin 6 kademeden oluşur. Türbinin son kademesinden sonra gazlar egzoz sistemine verilir.
Kademelerde türbin rotorunu çeviren gazlar bacadan dışarı atılır.
Glaç modül dışında bulunmakta olup gaz türbini devreye girdikten sonra türbin devri 500
RPM’i geçtikten sonra otomatik olrak ridakşıngere bağlanmakta, türbin stop edildikten sonra
devir 500 RPM’ e düştüğünde otomatik olarak ridakşıngerden ayrılmaktadır.
Ridakşınger türbin devrini düşükmek için kullanılır. 20’ye 1 düşürme oranına sahiptir. Sistem
iç içe geçmiş bir dişli grubudur. Şafta direk bağlı olup emercensi durdurmak için sonunda şaft
fren sistemi bulunmaktadır.
Şaft türbinde üretilen iş ile pervaneyi çevirmek için kullanılır. Maksimum devri 182 RPM’dir.
Bitişinde pervane mevcuttur. Sistem üzerinde 1 adet line şaft yatağı(palamar yatak)
mevcuttur.
Pervane pitch kontollü olup 5 kanatlıdır. Sancağa devirlidir. Maksimum devri şaft devri ıile
sınırlı olup 182 RPM’ dir.
35
Şekil 3.1 Gaz türbini hal noktaları
RİD
AKŞİ
NG
ER
1 ATMOSFER
KO
MPR
ESÖ
R
ŞAFT
TÜ
RBİN
KO
MPR
ESÖ
R
YAKIT
GİRİŞİ
YAKIT
GİRİŞİ
2
5
3
TÜ
RBİN
4 EGZOZ
YANMA ODASI
YANMA ODASI
GLAÇ
PERVANE
GLAÇ
36
3.2 Ekserji analizi Rant ekserjiyi tamamen başka bir enerjiye dönüşebilen enerjinin bir çeşidi olarak Baehr ise
verilmiş bir ortamda bütün diğer enerji türlerine dönüştürülebilen kullanılan enerji olarak
ifade etmişlerdir (Arıkol, 1984).
Ekserji verilen şartlarda, çevre ile aynı şartlara (ölü hal) getirilmesi sonucu bir sistemden elde
edilebilecek maksimum iş şeklinde tanımlanmıştır (Kotas, 1984).
Ekserji analizi için çevrenin tanımı yapılırken temel ilke, çevrenin tam bir denge durumunda
olmasıdır. Bir madde akımının ekserjisi değerlendirilirken, çevrenin ısıl ekserjisinin sıfır
olduğu ve serbestçe tanımlanan yaygın çevresel maddelerden oluştuğu kabul edilir. Bu yaygın
çevresel maddeler, birbirleriyle denge halindedir ve bunların ölü hal durumunda oldukları
söylenir (Arıkol, 1985).
Bir sistem ölü halde iken çevresi ile eşit sıcaklık ve basınçtadır. Yani çevre ile ısıl, mekanik
ve termodinamik dengededir. Ayrıca, sistemin çevresine göre kinetik ve potansiyel enerjileri
sıfırdır. Sistem ölü halde iken çevresiyle kimyasal reaksiyona giremez. Sistemin ölü hal
özellikleri OOO HTP ,, ve OS ’dır. Ölü hal durumunda 1=OP atm (101.325 kPa) ve
)15.298(25 KCT OO = dır (Çengel ve Boles, 1994).
Enerjinin faydalı kısmını ekserji oluştururken enerjinin kullanılmayan yani başka bir enerjiye
dönüştürülemeyen kısmı anerji olarak adlandırılır.
Ekserjinin çok çeşitli bileşenleri vardır. Eğer magnetik ve yüzey gerilimlerinin tesirleri yok
kabul edilirse, ekserji dört ana gruba ayrılabilir. Bunlar: fiziksel ekserji, kimyasal ekserji,
potansiyel ekserji ve kinetik ekserjidir.
KimFizKP EEEEE +++= (3.1)
Bu bölümde fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri hesaplanmıştır. Hesaplamalarda kinetik ve
potansiyel ekserji miktarları çok küçük olduğu için ihmal edilmiştir. Fiziksel ekserji
sisteminin sahip olduğu p,T şartlarından, sınırlandırılmış ölü bölgeye yani OO Tp , şartlarına
geçerken elde edilebilecek maksimum iştir.
( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]OOOOOOOOFiz ssThhmssTvvPuumE −−−=−−−+−=
:. (3.2)
37
Kimyasal ekserjinin hesaplanabilmesi için sistemi oluşturan maddelerin ve çevrenin içeriğinin
bilinmesi çok önemlidir. Çevre kendi içerisinde dengeli kabul edilir. Çevre şartları her yerde
aynı olmadığı için standart bir çevre durumu kabul edilmiştir. Çevrenin sıcaklığı
KTO 15.298= ve basıncı barPO 013.1= ’dır. Bu durumda hesaplanan ekserji standart
kimyasal ekserjidir. Çeşitli maddeler için standart ekserji değerleri hesaplanmış ve tablolar
haline getirilmiştir. Hesaplamalarda bu tabloların kullanılması hesap kolaylığı sağlamaktadır.
1 noktası, kompresöre giriş şartları olup çevre şartları ile aynı olduğundan fiziksel ekserjisi
sıfırdır. Kompresöre girişten yanma odasına girişe kadar akışkan havadır. Bu şartlar 1 ve 2
noktalarıdır. Bu noktalarda havanın kimyasal kompozisyonu çevrenin kompozisyonu ile aynı
olduğu için kimyasal ekserjileri sıfırdır.
2 noktası, (3.3) eşitliği i gazına ait 22 , pT şartlarında 1=refp bar için entropi değerlerini
vermektedir. Havayı oluşturan bütün gazlar için −
s değerleri hesaplanıp mol fraksiyonları ile
çarpılırsa −
2s değeri elde edilir. Bu değer (3.4) eşitliğinde yerine yazılarak 2 noktasının
fiziksel ekserjisi hesaplanır.
( ) ( )ref
iO
iİi ppx
RTsPXTs 2222 ln,,
−−−
−= (3.3)
a
oooFiz
M
ssThhmE ⎭
⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−−
=
−−−−
22.
22 (3.4)
yanma odası çıkışından atmosfere atılana kadar (3-4 arası) akışkan egzoz gazlarıdır. Bu
noktalara (3 ve 4 noktaları) ait −
oh ve −
os değerleri hesaplanırken egzoz gazlarının çevre
şartlarındaki mol fraksiyonları kullanılır.
3 noktası, Bu nokta yanma adası çıkışı olup entropi değeri (3.5) eşitliğinden hesaplanır ve
bulunan değer (3.6) eşitliğinde yerine yazılarak bu noktaya ait fiziksel ekserji hesaplanır.
38
( )ref
io
iii ppx
RTspxTs 3333 ln)(,,
−−−
−= (3.5)
p
oooFiz
M
ssThhmE ⎭
⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−−
=
−−−−
33.
33 (3.6)
Egzoz gazlarının mol fraksiyonu ve bu gazların standart kimyasal ekserji değerleri (3.7)
eşitliğinde yerine yazılarak, birim mol başına kimyasal ekserji değeri hesaplanır. Daha sonra
(3.8) eşitliği kullanarak 3 noktasının kimyasal ekserjisi hesaplanır.
∑∑=
−
=
−
+=n
kkkO
n
k
Kim
kkKim XXTReXe
11ln (3.7)
p
KimKim
MemE
−−
=.
33 (3.8)
mnHC molekül bileşenine sahip bir hidrokarbon yakıt, hava ile tam bir yanma meydana
getirdiğinde yanma denklemi aşağıdaki gibi olacaktır.
ısıNmnOHmnCONOmnHC mn ++++→+++ 22222 )4/(773,32/)773,3)(4/( (3.9)
9,268,14 HC molekül bileşenine sahip NATO F-76 yakıtının yanma denklemi aşağıdaki gibi
olur.
ısıNOHCONOHC +++→++ 222229,268,14 214,8145,138,14214,81525,21
39
Teorik yanmada birim yakıtın yanma meydana getirdiği birim hava, stokimetrik hava/yakıt
oranı ile aşağıdaki şekilde bulunur (Van Wylen vd., 1994).
( ) 488,14)1(9,26)12(8,14
)28(214,81)32(525,21)(9,26)(8,14(
))(214.81)(525.21(/ 22 =++
=++
=HCYAKITNOHAVAFA STO (3.10)
Gerçek hava yakıt oranı ise toplam giren yakıtın toplam giren havaya oranıdır.
( ) •
•
=f
aGerçek
m
mFA / (3.11)
4 noktası, Bu nokta için, sıcaklık değişimine bağlı olarak 3 noktası için yapılan hesap tarzı ile
fiziksel ekserji değeri (3.12) eşitliği ile bulunur. Bu noktada akışkanın mol fraksiyonu 3
noktası ile aynı olduğundan kimyasal ekserjisi 3 noktasındaki kimyasal ekserjiye eşittir.
p
oooFiz
M
ssThhmE ⎭
⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−−
=
−−−−
44.
44 (3.12)
5 noktası, yakıt ideal gaz kabul ile fiziksel ekserji değeri (3.13) eşitliği yardımıyla
hesaplanabilir. Burada OTT =10 olduğu için yakıtın fiziksel ekserjisi, (3.14) eşitliği yardımıyla
hesaplanır.
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−−= OOO
Fiz ssThhmE 5
__
5
:
55 (3.13)
OO
Fiz
PP
RTmE 5.
55 ln= (3.14)
F
KimKim
Me
mE_
5.
55 = (3.15)
40
3.3 Performans analizleri Önceki bölümlerde her bir hal noktası için ekserji değerleri hesaplanmıştır. Burada bir
sistemin performansını gösteren güç, ekserji verimi ve entropi üretimi değerlerinin analizi
yapılmıştır. Bu çerçevede sistemi oluşturan komponentlerin ekserji analizleri aşağıda
sunulmuştur.
3.3.1 Kompresör Kompresör akışkanın basıncını yükseltme işlevini gerçekleştir. Bu makinelere dönen bir mil
aracılığıyla dışarıdan güç aktarılır. Bu bakımdan kompresördeki iş terimi eksidir, çünkü
akışkan üzerinden iş yapılmaktadır. Kompresöre aktarılan güç:
aaK M
hhmW
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=•
_
2
_
1
(3.16)
Kompresördeki toplam ekserji kaybı:
•••
−−= KDK WEEE 21 (3.17)
3.3.2 Türbin Gaz türbinlerinde pozitif iş yapan makine türbindir. Akışkan türbinden geçerken mil üzerine
yerleştirilmiş kanatçıklara karşı iş yapar. Bunun sonucu olarak mil döner ve türbin işi
gerçekleşir. Türbinde yapılan iş artıdır, çünkü iş akışkan tarafında yapılmaktadır. Türbinde
elde edilen güç:
PpT M
hhmW
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
=•
_
4
_
3
(3.18)
Türbindeki toplam ekserji kaybı:
__
4
_
3 TDT WEEE −−= (3.19)
3.3.3 Yanma Odası Kompresör tarafından basınçlandırılan hava, yanma odasında sabit basınçta yakılır ve elde
edilen yanma ürünleri gaz türbininde genişletilerek iş elde edilir ve egzoz gazları dışarı atılır.
Yanma odasındaki ekserji kaybı:
41
••••
−+= 352 EEEEDYO (3.20)
Sistemden elde edilen net güç kompresör ve türbin güçlerinin toplanmasıyla bulunur.
•••
+=TKNET WWW
. (3.21)
Sistemin ekserji verimi ( vε ), sistemden elde edilen toplam ekserjinin sisteme giren ekserjiye
oranı olarak tanımlanır:
••
•
••
•
+=
+=
1515 EE
W
EE
E NETTVε (3.22)
Sistemdeki toplam ekserji kaybı, her bir komponentteki ekserji kaybının türbin çıkışında
çevreye atılarak kaybedilen ekserji miktarı ile toplanması sonucu bulunur.
•••••
+++= 4EEEEE DTDYODKD (3.23)
Sistemdeki toplam ekserji kaybı, sistemin toplam entropi üretimine eşit olmaktadır.
••
= gOD STE (3.24)
Ekolojik performans katsayısı (ECOP), ekserji çıktısının toplam kayıp ekserjiye oranıdır
(3.25).
••••
•
•
•
•
•
+++
===
4EEEE
W
E
W
ST
WECOP
DTDYODK
NET
D
NET
gO
NET (3.25)
42
Çizelge 3.1 Gaz türbininin spesifik değerleri
Yakıtın alt ısıl değeri kJ/kg 42700
G/T özgül yakıt tüketimi kg/kW-saat 0.230
G/T azami gücü kW 22372
G/T yakıt debisi kg/saat 7760
G/T hava devisi kg/saat 252000
G/T azami egzoz sıcaklığı K 723
G/T egzoz basıncı Psı 15.80
Egzoz gazı atom ağırlığı Kg/kMol 204.5
Hava atom ağırlığı Kg/kMol 32
Azot atom ağırlığı Kg/kMol 28
Çizelge 3.1’de çalışan bir gaz türbinine ait spesifik değerler verilmiştir. Görüldüğü gibi gaz
türbininin 22372 kW’lık bir maksimum güç çıktısı vardır. Gaz türbininin azami egzoz
sıcaklığı ise 723 K’dir. Çizelge 3.2’de ise çalışan bir gaz türbininin gemi DDI (Digital
Display Indicator) ile çalışma sırasında ölçülen değerleri verilmektedir. Değişik kompresör
devirleri için kompresör giriş sıcaklığı, yanma odası giriş sıcaklığı, türbin giriş sıcaklığı ve
egzoz sıcaklıkları elde edilmiştir.
43
Çizelge 3.2 LM 2500 gaz türbini çalışma parametreleri ‘*’
GAZ KOLU
DEĞERİ
KOMPRESÖR DEVRİ
(RPM)
TÜRBİN DEVRİ
(RPM)
TÜRBİN GİRİŞ SICAKLIĞI
)( 3T K
EKSOZ SICAKLIĞI
)( 4T K
KOMPRESÖR GİRİŞ
SICAKLIĞI
( )1T K
KOMPRESÖR ÇIKIŞ
SICAKLIĞI
( )2T K
YAKIT DEBİSİ
Kg/sa
3 4870 950 658 567 288 502 0.253
5 4830 639 664 535 288 500 0.253
7 6060 905 673 548 288 504 0.266
8 6240 911 672 547 288 506 0.278
9 6570 866 674 550 288 512 0.294
10 6790 863 684 554 288 516 0.328
11 6990 968 685 561 288 521 0.336
12 7130 1086 672 553 288 524 0.344
13 7230 1115 677 553 288 526 0.366
14 7710 1210 753 547 288 512 0.389
15 7530 1436 700 568 288 529 0.452
18 7830 1767 747 568 288 532 0.577
19 7840 1721 759 631 288 585 0.633
20 7980 1866 802 607 288 565 0.689
22 8170 2167 822 638 288 596 0.844
* : LM 2500 gaz türbininin çalışması esnasında alınan değerler.
44
Çizelge 3.3 Özellik tablosu (Bejan 1995)
Madde Formül +H +S a b c d
Methan )(4 gCH -81.242 96.731 11.933 77.647 0.142 -18.414
Karbon ( )sC -2.101 -6.540 0.109 38.940 -0.146 -17.385
Sülfür ( )sS -5.242 -59.014 14.795 24.075 0.071 0
Nitrojen )(2 gN -9.982 16.203 30.418 2.544 -0.238 0
Oksijen )(2 gO -9.589 36.116 29.154 6.477 -0.184 -1.017
Hidrojen )(2 gH -7.823 -22.966 26.882 3.586 0.105 0
Karbon
monoksit
)(gCO -120.809 18.937 30.962 2.439 -0.280 0
Karbon
dioksit )(2 gCO -413.886 -87.078 51.128 4.368 -1.469 0
Su )(2 gOH -253.871 -11.750 34.376 7.841 -0.423 0
Su )(2 lOH -289.932 -67.147 20.355 109.198 2.033 0
Sülfür
dioksit
)(2 gSO -315.422 -43.725 49.936 4.766 -1.046 0
Hidrojen
sülfid )(2 gSH -32.887 1.142 34.911 10.686 -0.448 0
Amonyak )(3 gNH -60.244 -29.402 37.321 18.661 -0.649 0
−
−+⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +−++= 3123
_
3210 ydcyybayHho (3.26)
22_
22ln ydycbyTaSso +−++= −+ (3.27)
45
Entalpi ve entropi değerleri denklem (3.26) ve (3.27)’ye bulunmuş olup daha sonra karışımın
entropi ve entalpi değerleri denklem (3.3) de karışım oranlarına göre hesaplanmıştır.
Çizelge 3.4 Azotun çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1h 2h 3h 4h
4870 -289,72 6082,489 10945,48 8093,69
4830 -289,72 6021 11134,81 7100,56
6060 -289,72 6144,003 11419,08 7503,35
6240 -289,72 6205,542 11387,48 7472,34
6570 -289,72 6390,307 11450,69 7565,40
6790 -289,72 6513,606 11766,98 7689,57
6990 -289,72 6667,865 11798,63 7907,06
7230 -289,72 6760,491 11545,53 7658,52
7710 -289,72 6822,271 13960,06 7472,34
7530 -289,72 6390,307 12273,88 8124,81
7830 -289,72 6914,985 13768,64 8124,81
7840 -289,72 7007,751 14151,61 10095,40
7980 -289,72 8654,678 15528,15 9341,48
8170 -289,72 8031,463 16170,6 10315,48
46
Çizelge 3.5 Azotun çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1s 2s 3s 4s 4870 190.62 207,1097 215,54 210,87 4830 190.62 206,9869 215,82 209,07 6060 190.62 207,232 216,25 209,81 6240 190.62 207,3538 216,20 209,76 6570 190.62 207,7168 216,29 209,93 6790 190.62 207,9567 216,76 210,15 6990 190.62 208,2542 216,81 210,54 7130 190.62 208,4315 216,20 210,09 7230 190.62 208,5492 216,43 210,09 7710 190.62 207,7168 219,81 209,76 7530 190.62 208,7249 217,49 210,93 7830 190.62 208,8998 219,56 210,93 7840 190.62 211,8507 220,07 214,22 7980 190.62 210,7667 221,83 213,01 8170 190.62 212,4326 222,62 214,56
Çizelge 3.6 Oksijenin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1h 2h 3h 4h
4870 -285,14 6228,957 11276,34 8306,97 4830 -285,14 6165,625 11474,43 7279,25 6060 -285,14 6292,326 11772,08 7695,69 6240 -285,14 6355,733 11738,98 7663,60 6570 -285,14 6546,176 11805,19 7759,89 6790 -285,14 6673,323 12136,73 7888,39 6990 -285,14 6832,463 12169,92 8113,60 7130 -285,14 6928,055 11738,98 7856,25 7710 -285,14 6991,829 11904,57 7663,60 7530 -285,14 6546,176 14444,86 8339,23 7830 -285,14 7087,557 12668,77 8339,23 7840 -285,14 7183,366 14242,75 10388,22 7980 -285,14 8888,916 14647,24 9603,83 8170 -285,14 8242,484 16105,27 10617,87
47
Çizelge 3.7 Oksijenin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1s 2s 3s 4s 4870 205,28 221,3947 229,98 225,19 4830 205,28 221,2712 230,28 223,36 6060 205,28 221,5178 230,72 224,11 6240 205,28 221,6405 230,67 224,05 6570 205,28 222,0062 230,77 224,22 6790 205,28 222,2482 231,25 224,45 6990 205,28 222,5485 231,30 224,85 7130 205,28 222,7276 230,67 224,40 7230 205,28 222,8465 230,91 224,40 7710 205,28 222,0062 234,43 224,05 7530 205,28 223,0242 232,01 225,24 7830 205,2891 223,2011 234,168 225,24 7840 205,2891 226,2007 234,70 228,61 7980 205,2891 225,0957 236,55 227,36 8170 205,2891 226,7954 237,38 228,96
Çizelge 3.8 Karbondioksitin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1h 2h 3h 4h 4870 -393879 -384743 -377066 -381603
4830 -393879 -384838 -376762 -383162
6060 -393879 -384648 -376305 -382531
6240 -393879 -384553 -376356 -382580
6570 -393879 -384267 -376254 -384534
6790 -393879 -384076 -375745 -382239
6990 -393879 -383836 -375694 -381897
7130 -393879 -383692 -376356 -382288
7230 -393879 -383596 -376101 -382288
7710 -393879 -384267 -372197 -382580
7530 -393879 -383451 -374928 -381554
7830 -393879 -383307 -372508 -381554
7840 -393879 -380718 -371886 -378427
7980 -393879 -381701 -369645 -379627
8170 -393879 -380173 -368596 -378075
48
Çizelge 3.9 Karbondioksitin çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1s 2s 3s 4s 4870 212.57 235,974 249.27 241.85
4830 212.57 235,7845 249.73 239.02
6060 212.57 236,1629 250.41 240.18
6240 212.57 236,3513 250.34 240.10
6570 212.57 236,9134 250.49 240.36
6790 212.57 237,2855 251.24 240.71
6990 212.57 237,7476 251.31 241.33
7130 212.57 238,0234 250.34 240.63
7230 212.57 238,2066 250.71 240.63
7710 212.57 236,9134 256.18 240.10
7530 212.57 238,4805 252.42 241.93
7830 212.57 238,7532 255.76 241.93
7840 212.57 243,3913 256.59 247.16
7980 212.57 241,68 259.46 245.22
8170 212.57 244,3133 260.75 247.71
Çizelge 3.10 Su buharının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1h 2h 3h 4h 4870 -242185 -234809 -228955 -232406
4830 -242185 -234882 -228724 -233596
6060 -242185 -234736 -228377 -233114
6240 -242185 -234663 -228416 -233151
6570 -242185 -234443 -228338 -233039
6790 -242185 -234296 -227952 -232891
6990 -242185 -234112 -227913 -232630
7130 -242185 -234002 -228416 -232928
7230 -242185 -233928 -228223 -232928
7710 -242185 -234443 -225258 -233151
7530 -242185 -233817 -227331 -232368
7830 -242185 -233707 -225494 -232368
7840 -242185 -231730 -225021 -229988
7980 -242185 -232480 -223317 -230900
8170 -242185 -231316 -222518 -229721
49
Çizelge 3.11 Su buharının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1s 2s 3s 4s
4870 187,67 206,6957 216,83 211,19 4830 187,67 206,5499 217,18 209,03 6060 187,67 206,841 217,70 209,92 6240 187,67 206,9858 217,64 209,85 6570 187,6 207,4176 217,76 210,06 6790 187,67 207,7033 218,33 210,33 6990 187,67 208,0578 218,39 210,79 7130 187,67 208,2692 217,64 210,26 7230 187,67 208,4096 217,93 210,26 7710 187,67 207,4176 222,08 209,85 7530 187,67 208,6194 219,23 211,26 7830 187,67 208,8282 221,77 211,26 7840 187,67 212,3685 222,39 215,23 7980 187,67 211,0644 224,58 213,76 8170 187,67 213,0704 225,56 215,65
Çizelge 3.12 Karışım gazlarının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entalpi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1h 2h 3h 4h 4870 -4994,18 1235,98 6010,72 3208,39
4830 -4994,18 1175,73 6197,00 2234,02
6060 -4994,18 1296,26 6476,74 2629,11
6240 -4994,18 1356,57 6445,64 2598,69
6570 -4994,18 1537,66 6507,86 2690,00
6790 -4994,18 1658,52 6819,18 2811,81
6990 -4994,18 1809,75 6850,35 3025,23
7130 -4994,18 1900,55 6445,64 2781,35
7230 -4994,18 1961,13 6601,19 2781,35
7710 -4994,18 1537,66 8980,08 2598,69
7530 -4994,18 2052,05 7318,31 3238,95
7830 -4994,18 2143,00 8791,32 3238,95
7840 -4994,18 3759,14 9169,02 5174,68
7980 -4994,18 3147,33 10527,52 4434,72
8170 -4994,18 4096,59 11162,09 5391,06
50
Çizelge 3.13 Karışım gazlarının çeşitli gaz jeneratörü devirlerinde entropi değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ 1s 2s 3s 4s 4870 187,87 203,83 212,08 207,51
4830 187,87 203,71 212,36 205,75
6060 187,87 203,95 212,78 206,47
6240 187,87 204,07 212,73 206,42
6570 187,87 204,43 212,82 206,58
6790 187,87 204,66 213,28 206,80
6990 187,87 204,95 213,33 207,18
7130 187,87 205,12 212,73 206,75
7230 187,87 205,24 212,96 206,75
7710 187,87 204,43 216,28 206,42
7530 187,87 205,41 214,00 207,56
7830 187,87 205,58 216,03 207,56
7840 187,87 208,46 216,53 210,78
7980 187,87 207,40 218,27 209,59
8170 187,87 209,03 219,05 211,12
Yakıtın fiziksel ekserji değerleri denklem (3.14)’e göre kimyasal ekserji değerleri ise denklem
(3.7)’ye göre hesaplanmıştır. Kompresör girişinde kimyasal ve fiziksel ekserji değerleri
sıfırdır. Kompresör çıkışının kimyasal ekserjisi sıfır olup, fiziksel ekserji değeri
denklem(3.4)’e göre hesaplanmıştır. Yanma odası çıkışı kimyasal ekserji değerleri denklem
(3.7)’ye göre, fiziksel ekserji değerleri ise denklem (3.6)’ya göre hesaplanmıştır. Türbin
çıkışı ekserji değerleri denklem (3.7)’ye , fiziksel ekserji değerleri ise denklem (3.12)’ye göre
hesaplanmıştır.
51
Çizelge 3.14 Gaz türbininin hal noktalarına göre fiziksel ve kimyasal ekserji değerleri
KOMPRESÖR
DEVRİ
5E
FİZ
kW
5E
KİM
kW
1E
FİZ
kW
1E
KİM
kW
2E
FİZ
kW
2E
KİM
kW
3E
FİZ
kW
3E
KİM
kW
4E
FİZ
kW
4E
KİM
kW
4870 114 13000 0 0 721 0 8037 50 7358 50
4830 114 13000 0 0 710 0 8085 50 7145 50
6060 121 13668 0 0 770 0 8577 53 7602 53
6240 134 14285 0 0 817 0 8956 55 7937 55
6570 142 15107 0 0 904 0 9490 59 8418 59
6790 159 16854 0 0 1040 0 10694 65 9426 65
6990 163 17265 0 0 1105 0 10965 67 9719 67
7130 169 22609 0 0 1156 0 11082 69 9876 69
7230 181 18806 0 0 1247 0 11850 73 10508 73
7710 194 19988 0 0 1196 0 13593 78 11106 78
7530 227 23225 0 0 1573 0 14975 90 13160 90
7830 236 29648 0 0 2050 0 20041 116 16799 116
7840 249 32526 0 0 3119 0 22253 127 19582 127
7980 263 35403 0 0 3026 0 25289 138 20820 138
8170 274 43368 0 0 4414 0 31602 169 26290 169
52
Çizelge 3.15 Gaz türbininin hal noktalarına göre Kw olarak toplam ekserji değerleri
KOMPRESÖR
DEVRİ 5E 1E
O A
2E
O A
3E
O A
4E
O A4870 13114 0 721 8087 7408 4830 13114 0 710 8135 7195 6060 13789 0 770 8630 7655 6240 14419 0 817 9011 7992 6570 15249 0 904 9549 8477 6790 17013 0 1040 10759 9491 6990 17428 0 1105 11032 9786 7130 22778 0 1156 11151 9945 7230 18987 0 1247 11923 10581 7710 20182 0 1196 13671 11184 7530 23452 0 1573 15065 13250 7830 29884 0 2050 20157 16915 7840 32775 0 3119 22380 19709 7980 35666 0 3026 25427 20958 8170 43642 0 4414 31771 26459
Yanma odasındaki ekserji kayıpları denklem(3.20)’ye göre, türbindeki ekserji kayıpları
denklem(3.19)’a göre ve kompresördeki ekserji kayıpları denklem (3.17)’ye göre
hesaplanmıştır.
53
Çizelge 3.16 Gaz türbini kayıp ekserji değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ
GAZ JENERATÖRÜNDEKİ
EKSERJİ KAYBI (kW)
YANMA ODASINDAKİ
EKSERJİ KAYBI (kW)
TÜRBİNDEKİ EKSERJİ KAYBI
(kW)
4870 721 5748 6794830 710 5689 9406060 770 5929 9756240 817 6225 10196570 904 6604 10726790 1040 7294 12686990 1105 7501 12467130 1156 12783 12067230 1247 8311 13427710 1196 7707 24877530 1573 9960 18157830 2050 11777 32427840 3119 13514 26717980 3026 13265 44698170 4414 16285 5312
Şekil 3.2 de görüldüğü gibi gaz türbinin devri arttıkça sisteme giren yakıt miktarı arttığından
yakıttan elde edilen ekserji değeri artmaktadır.
0100020003000400050006000700080009000
1311
413
789
1441
915
249
1701
317
428
1898
720
182
2345
229
884
3277
535
666
4364
2
YAKIT EKSERJİ DEĞERLERİ(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.2 Yakıt ekserji grafiği
54
Şekil 3.3 de görüldüğü gibi gaz türbini kompresörünün devri arttığında kompresörden elde
edilen ekserji değeri de artmaktadır. Kompresör devri arttıkça giriş değerleri sabit olmasına
karşın çıkış değerlerinde artmalar görülecektir. Çizelge 3.2 de görüldüğü gibi yüksek
kompresör devirlerinde kompresör çıkış sıcaklığı oldukça yüksek değerler ulaşır.
0100020003000400050006000700080009000
721
770
817
904
1040
1105
1247
1196
1573
2050
3119
3026
4414
KOMPRESÖR ÇIKIŞ EKSERJİSİ(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.3 Kompresör çıkış ekserji grafiği
Şekil 3.4 de görüldüğü gibi gaz türbini kompresörünün devri arttığında yanma odasından elde
edilen ekserji değeri de artmaktadır. Kompresör devri arttıkça yakıt giriş debisi artacağından
ekserji değerlerinde de artma olduğu görülecektir.
55
0100020003000400050006000700080009000
8087
8630
9011
9549
1075
911
032
1192
313
671
1506
520
157
2238
025
427
3177
1
YANMA ODASI ÇIKŞ EKSERJİSİ(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.4 Yanma odası çıkış ekserjisi
Şekil 3.5 de görüldüğü gibi gaz türbini kompresörünün devri arttığında türbinden elde edilen
ekserji değeri de artmaktadır. Kompresör devri arttıkça türbin devrinin arttığı çizelge 3.2 de
görülmektedir. Sistemde iş yapan bölüm türbin kısmı olduğu için bu istenen bir husustur.
0100020003000400050006000700080009000
7408
7655
7992
8477
9491
9786
1058
111
184
1325
016
915
1970
920
958
2645
9
TÜRBİN ÇIKIŞ EKSERJİSİ(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.5 Türbin çıkış ekserjisi
Şekil 3.6’de kompresörün ekserji kayıp değerleri hesaplanmıştır. Sistemin ekserji kaybı
kompresör devri arttıkça artmaktadır. Yalnız bu kayıp oranının sistemdeki tüm ekserji kaybı
56
göz önüne alındığında çok fazla olmadığı görülmektedir.
0100020003000400050006000700080009000
721
710
770
817
904
1040
1105
1247
1573
2050
3119
3026
4414
KOMPRESÖR EKSERJİ KAYBI(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.6 Kompresör ekserji kayıp grafiği
Şekil 3.7’ de yanma odasında kaybolan ekserji değerleri görülmektedir. Ekserji değerlerinden
görüleceği gibi diğer kısımlara nazaran en fazla kayıp ekserji yanma odasında meydana
gelmektedir.
0100020003000400050006000700080009000
5748
5689
5929
6225
6604
7294
7501
8311
9960
1177
713
514
1326
516
285
YANMA ODASI EKSERJİ KAYBI(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.7 Yanma odası ekserji kayıp grafiği
57
Şekil 3.8’ de görüldüğü gibi türbin ekserji değerleri kompresörden düşük olmasına karşın
yanma odasındaki ekserji kayıp oranlarına göre oldukça düşüktür.
0100020003000400050006000700080009000
679
940
975
1019
1072
1268
1246
1342
1815
3242
2671
4469
5312
TÜRBİN EKSERJİ KAYBI(kW)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 3.8 Türbindeki ekserji kaybı grafiği
58
4. LM 2500 GAZ TÜRBİNİ TERMODİNAMİK ANALİZİ
Çizelge 4.1 Kompresör termodinamik analiz değerleri( 2881 =T K)
KOMPRESÖR DEVRİ
(RPM)
KOMPRESÖR ÇIKIŞ
SICAKLIĞI
(K)
1h
(kJ/kg)
2h
(kJ/kg)
W
KOMPRESÖR
(kJ/kg)
4870 334 288.14 334.41 46.27
4830 357 288.14 357.57 69.43
6060 354 287.14 357.57 69.43
6240 353 288.14 353.56 65.42
6570 353 287.14 353.56 65.42
6790 356 288.14 356.57 68.43
6990 352 288.14 352.56 64.42
7130 350 287.14 350.49 62.35
7230 353 287.14 353.56 65.42
7710 396 288.14 396.97 108.83
7530 355 288.14 355.57 67.43
7830 379 288.14 379.76 91.62
7840 346 288.14 346.48 58.34
7980 381 288.14 381.86 93.72
8170 371 288.14 371.75 83.61
59
Çizelge 4.2 Yanma odası termodinamik analiz değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ
(RPM)
KOMPRESÖR ÇIKIŞ/YANMA ODASI GİRİŞ
SICAKLIĞI (K)
YANMA ODASI ÇIKIŞ SICAKLIĞI
(K)
2h
(kJ/kg)
3h
(kJ/kg)
gq
(kJ/kg)
4870 334 658 334.41 668.43 334.02
4830 357 664 357.57 675.04 317.47
6060 354 673 357.57 684.69 327.12
6240 353 672 353.56 683.68 330.12
6570 353 674 353.56 685.72 332.16
6790 356 684 356.57 696.41 339.84
6990 352 685 352.56 697.42 344.86
7130 350 672 350.49 686.68 336.19
7230 353 677 353.56 688.76 335.20
7710 396 753 396.97 771.01 374.04
7530 355 700 355.57 713.27 357.70
7830 379 747 379.76 764.22 384.46
7840 346 759 346.48 777.15 430.67
7980 381 802 381.86 825.45 443.59
8170 371 822 371.75 847.52 475.77
60
Çizelge 4.3 Türbin termodinamik analiz değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ (RPM)
TÜRBİN GİRİŞ SICAKLIĞI
(K)
EKSOZ SICAKLIĞI
(K) 3h
(kJ/kg)
4h
(kJ/kg)
W t TÜRBİN İŞİ (kJ/kg)
4870 658 567 668.43 576.53 91.94830 664 535 675.04 539.31 135.736060 673 548 684.69 552.72 131.976240 672 547 683.68 551.71 131.966570 674 550 685.72 554.74 130.986790 684 554 696.41 559.11 137.306990 685 561 697.42 566.50 130.927130 672 553 686.68 558.10 128.587230 677 553 688.76 558.10 130.667710 753 547 771.01 551.71 219.307530 700 568 713.27 573.57 139.707830 747 568 764.22 573.57 190.657840 759 631 777.15 640.09 137.067980 802 607 825.45 614.49 210.968170 822 638 847.52 647.19 200.33
Yukarıdaki veriler sonucunda hazırlanan kompresör işi,türbin işi,çevrime giren toplam ısı ve
çevrimden çıkan toplam ısı miktarları birim kütle akışında Çizelge 4.4’de gösterilmiştir.
61
Çizelge 4.4 Bir gaz türbinin birim kütle akışında termodinamik analiz değerleri
KOMPRESÖR DEVRİ
(RPM)
W K
KOMPRESÖR
İŞİ
( 12 hh − )
(kJ/kg)
W T
TÜRBİN İŞİ
( 43 hh − )
(kJ/kg)
gq
ÇEVRİME
GİREN
TOPLAM ISI
( 23 hh − )
(kJ/kg)
çq
ÇEVRİMDEN
ÇIKAN
TOPLAM ISI
14 hh −
(kJ/kg)
thη
ÇEVRİMİN
ISIL VERİMİ
gir
GERİ İŞ
ORANI
NET İŞ
(kJ/kg)
4870 46.27 91.9 334.02 288.39 0.137 0.503 45.63 4830 69.43 135.73 317.47 257.17 0.189 0.511 66.30 6060 69.43 131.97 327.12 264.58 0.191 0.526 62.54 6240 65.42 131.96 330.12 263.57 0.201 0.495 66.54 6570 65.42 130.98 332.16 266.60 0.197 0.499 65.48 6790 68.43 137.30 339.84 270.97 0.202 0.498 68.87 6990 64.42 130.92 344.86 278.36 0.192 0.492 66.50 7130 62.35 128.58 336.19 269.96 0.197 0.484 66.23 7230 65.42 130.66 335.20 269.96 0.194 0.500 65.24 7710 108.83 219.30 374.04 263.57 0.295 0.496 110.47 7530 67.43 139.70 357.70 285.43 0.202 0.482 72.27 7830 91.62 190.65 384.46 285.43 0.257 0.480 99.03 7840 58.34 137.06 430.67 351.95 0.182 0.426 78.72 7980 93.72 210.96 443.59 326.35 0.264 0.444 117.24 8170 83.61 200.33 475.77 359.05 0.245 0.417 116.72
Şekil 4.1 de birim akış miktarlarına göre kompresör de yapılan iş değerleri verilmiştir.
Kompresör devrinin artması ile kompresörde yapılan iş miktarları da artmaktadır.
62
0100020003000400050006000700080009000
46.27
69.43
69.43
65.42
65.42
68.43
64.42
62.35
65.42
108.8
367
.4391
.6258
.3493
.7283
.61
KOMPRESÖR İŞİ(kJ/kmol)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 4.1 Çeşitli kompresör devirlerinde birim akışkana göre kompresör işi
Şekil 4.2’ de birim akış miktarlarına göre türbinde yapılan iş değerleri verilmiştir. Kompresör
devrinin artması ile türbin devri artmakta ve türbinde yapılan iş miktarı da oldukça
artmaktadır. Savaş gemilerinde türbinde yapılan iş miktarının artması pervane devrinin
artmasının ve geminin daha fazla sürat yapmasının sağlamaktadır
0100020003000400050006000700080009000
91.9
135.7
3
131.9
7
131.9
6
130.9
8
137.3
0
130.9
2
128.5
8
130.6
6
219.3
0
190.6
5
137.0
6
210.9
6
200.3
3
TÜRBİN İŞİ(kJ/kmol)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 4.2 Çeşitli kompresör devirlerinde birim akışkana göre türbin işi
63
Şekil 4.3’de gaz türbininin ısıl verimi yüzde olarak hesaplanmıştır. Düşük kompresör
devirlerinde ısıl verim %13 civarında olmakta iken ekonomik süratin kullanıldığı devirlerde
ısıl verim %29 lara kadar yükselmekte daha sonra kompresörün en yüksek devirlerinde ısıl
verim %24 olarak görülmektedir.Bu değerler ideal brayton çevrimin ısıl verim değerlerine
oldukça yaklaşıktır.
0100020003000400050006000700080009000
0.137
0.191
0.201
0.197
0.202
0.192
0.197
0.1
940.2
950.2
020.2
570.1
820.2
640.2
45
ÇEVRİMİN ISIL VERİMİ(%)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 4.3 Gaz türbininin çeşitli kompresör devirlerinde ısıl verimi
Şekil 4.4’de sistemin geri iş oranları verilmiştir. Geri iş oranları sistemden elde edilen işin
kompresörü çevirmek için kullanılan işe oranıdır. Görüldüğü gibi düşük kompresör
devirlerinde geri iş oranı yüksek, yüksek kompresör devirlerinde geri iş oranı düşüktür.
Sistem düşük devirlerde elde ettiği işin %52 sini kompresörü çevirmek için kullanırken
yüksek devirlerde bu oran %41 e kadar düşmektedir.
Yapılan analizler sonucu görülmüştür ki gaz türbini yüksek devirlerde daha verimlidir.hem
kompresör çıkış sıcaklığının egzoz sıcaklığına yakın değerlerde olması hem de savaş
gemilerinin dizaynı nedeniyle egzoz gazının yan bir sistemde kullanım yeri yoktur.
64
0100020003000400050006000700080009000
0.503
0.526
0.495
0.499
0.498
0.492
0.484
0.500
0.496
0.482
0.480
0.426
0.444
0.417
ÇEVRİMİN GERİ İŞ ORANLARI(%)
KO
MPR
ESÖ
R D
EVRİ(R
PM)
Şekil 4.4 Gaz türbininin geri iş oranı
65
5. SONUÇ
Çalışan bir LM 2500 gaz türbininde DDI(Digital Dısplay Indıcator) ile elde edilen değerlerle
yakıt olarak metanın kullanıldığı ve yakıt hava oranının %2 olarak kabul edildiği gaz türbinin
parçalarından kompresör, yanma odası ve türbin kısmına yapılan sayısal analizler sonucu en
fazla ekserji üretimi ve en fazla ekserji kaybının yanma odasında meydana geldiği
görülmüştür. Yapılan analiz sonucu en fazla ekserji üretiminin yakıtın kimyasal ekserjisinden
kaynaklandığı tespit edilmiştir.
Üretilen ekserji değerlerine göre nispi olarak en az ekserji kaybının türbinde meydana geldiği
tespit edilmiştir.
Bizim gemilerde ekonomik sürat dediğimiz kompresör değerlerinde yapılan kompresör ve
türbin işlerinin birim zamanda akışkan kütlesinden bağımsız olarak maksimum değerlerde
olduğu tespit edilmiş olup anılan değerlerde ekserji üretiminin yüksek olmasına karşın yakıt
tüketimi mimimum seviyededir.
Birim zamanda akışkan kütlesinden bağımsız olarak yapılan termodinamik analiz neticesinde
düşük süratlerde çevrimin ısıl veriminin çok düşük olduğu ve yüksek kompresör ve türbin
devirlerinde ısıl verimin yükseldiği, bu nedenle gaz türbinlerinden yüksek süratlerde
kullanılmasının elde edilen verim açısından daha uygun olduğu görülmüştür.
Termodinamik analiz neticesinde düşük devirlerde elde edilen gücün % 50’sine yakınının
kompresörü çevirmek için kullanıldığı, yüksek süratlerde ise bu oranın % 41’lere kadar
düştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca yapılan termodinamik analiz neticesinde kompresör devri
arttıkça kompresör ve türbin işlerinin artmasına rağmen türbin işinin kompresör işinden daha
fazla arttığı tespit edilmiştir. Bu değerlerden de anlaşılacağı gibi gaz türbinlerini yüksek
devirlerde kullanmak daha uygun olacaktır.
66
KAYNAKLAR Alconchel J., Valero A., Abadia J.,(1985),”Exergy simulation of real operating steam power
plant”
Arıkol M.,(1984),”Ekserji analizine giriş”
Bayram D. ,(2004) ,”Gaz Türbini Tahrikli Yüksek Süratli Gemilerde İşletme Parametrelerinin Performansa Etkisinin İncelenmesi”,YTÜ Gemi İnşaatı Müh. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul,19-23,32-39,82-85.
Bejan A.,Tsatsaronis G., Moran M.,(1995)”Thermal design and optimization”
Çengel.A.Y., Boles A.M., (1996),”Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik”, Literatür Yayıncılık,İstanbul, 1996
Derbentli T.,(1986),”Birleşik ısı güç üretiminde kullanılan iki buhar çevriminin birinci ve ikinci kanun çözümlemesi”,Isı bilimi ve tekniği 7. Ulısal kongresi,35-45
Derince Eğitim Merkezi Komutanlığı, (1998),”Genel Gaz Türbini Ders Notu”,Derince,, 1998
Derince Eğitim Merkezi Komutanlığı, (1998),” Gaz Türbini G Sınıfı Fırkateyn Ders Notu”,Derince, 1998
Dinçer İ., Al-Muslim H.,(2001),”Thermodynamic analysis of reheat cycle steam power plants”,International Journal of Energy Research, Vol 25, 727-739
El-Masri M.A.,(1987),”Exergy analysis of combined cycles :Part 1-Air-cooled Brayton-cycles gas turbines”,Transaction of the ASME, vol 109,228-236
El-Masri M.A.,Chin W.W.,(1987),”Exergy analysis of combinedcycles :Part 2-Analysis and optimization of two-pressure steam bottoming cycles”, Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol 109,237-243
Gas Turbines Systems Technician (Electrical) 3 / Gas Turbines Systems Technician (Mechanical) 3, Volume 2 ( NAVEDTRA 10564 )
Horlock J.H., Young J.B., Manfrida G.,(2000),”Exergy analysis of modern fosil-fuel power plant”,Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol 122,1-7
Huang Y., Hung C., Chen.,(2000),”Exergy analysis for a combined system of steam-injected gas turbine cogenaration and multiple effect evaporation”, Proc Instn Mech Engineers, Vol 214, Part A
Jın H, Ihsıda M.,(1993),”Graphical exergy analysis of complex ctcles”, Energy, Vol 18, No 16,615-625
Jonston J., Elgan S., Massie.,(2001),”exergy and economic analysis at a central cogeneration plan equipped with steam turbines”, ECOS 2001, 621-626
Kotas T.,(1984),”The exergy method of thermal plant analysis”
Marrero L., Lefsaker m., razani, A., Kim K.,(2002),”Second law analysis and optimization of a combined triple power cycle”,Energy Conversion and Management, vol 43, 557-573
Naval Ships Technical Manuel Chapter 243 Marine Gas Turbines
67
Pak P.S., Suziki Y.,(1997),”Exergetic evaluation of gas turbine cogeneration system for district heating and cooling”,International Journal of Energy Research, Vol 82, 2735-2740
Sevilgen S.H.,(2002),”Enerji üretim sistemlerinin ekserjoekonomik analizi”,YTÜ Makine Müh. Doktora tezi,İstanbul
Sürer F.,(2003),”Kombine gaz /buhar türbinli kojenerasyon sistemlerinin termodinamik ve ekonomik analizi”, YTÜ Gemi İnşaatı Müh. Yüksek Lisans Tezi,İstanbul
Szargut, 1988
S9234-AD-MMO-010/LM-2500 Volume 1, Part 1, Propulsion G/T Module LM-2500(Description, Operation and Installation)
S9234-AD-MMO-020/LM-2500 Volume 1, Part 2, Propulsion G/T Module LM-2500 (Description, Operation and Installation)
Operation and maintenance Instractions Gas Turbine Model T-1000 S-28
(NAVSHIPS 381-0221)
Verkhivker G.,Kosoy B.,(2001),”On the exergy analysis of power plants”, Energy Conversion and Management, Vol 42, 2053-2059
68
ÖZGEÇMİŞ Doğum Tarihi 02.02.1971
Doğum Yeri Pınarlı/Giresun
Lise 1984-1988 Deniz Lisesi K.lığı
Lisans 1988-1992 Deniz Harp Okulu K.lığı
Yüksek Lisans 2005-2007 Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Gemi İnşaatı Mühendisliği Anabilim Dalı
Çalıştığı Kurumlar
1992-1995 TCG Gayret K.lığında Yarasavunma Subayı
1995-1998 TCG Yücetepe K.lığında Yarasavunma Subayı
1998-1999 TCG Ege K.lığında Kazan Subayı
1999-2000 Gölcük Tersanesi K.lığı
2000-2002 Deniz Kuvvetleri K.lığı Karargahı
2002-2003 TCG Gediz K.lığında II. Çarkçı
2003-2007 TCG Gediz K.lığında Başçarkçı